計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程考核說明.doc

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程考核說明一、考核說明 1考核對象： 電大計算機科學與技術(shù)專業(yè)本科生。 2命題依據(jù)： 根據(jù)電大計算機科學與技術(shù)專業(yè)(本科)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課的教學大綱的要求。 3考核要求： 本課程面向電大計算機科學與技術(shù)專業(yè)本科生，具體考核要求分為3個層次(詳見考核具體要求)： 掌握； 理解； 了解。 4考核方式： 采用形成性考核和期末終結(jié)性考核相結(jié)合的方式，即期末考試與平時成績相結(jié)合的考核方式，最終總成績達到或超過60分為通過；平時成績(作業(yè)、教學實驗)占20；期末考試占80，分別以百分制計分。期末考試為閉卷筆試考試，時間120分鐘。二、考核內(nèi)容與要求以電大計算機科學與技術(shù)專業(yè)(本科)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課的教學大綱的要求為準。教材每一章節(jié)均有教學要求與導(dǎo)學部分，每章后又有作業(yè)與思考題?？己藘?nèi)容與要求均以教材中的具體規(guī)定為準， 在下面給出的試題類型與參考答案將能比較充分地體珥出來。三、考核具體要求第一章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 掌握：計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、實現(xiàn)的定義以及三 者的關(guān)系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS和MFLOPS定義。 理解:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類，馮諾依曼計算機特征。 了解：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，價格、應(yīng)用、VLSI核算法對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。第二章 指令系統(tǒng) 掌握：RISC的定義與特點，減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)的方法。 理解：延時轉(zhuǎn)移技術(shù)指令取消技術(shù)，重疊寄存器窗口技術(shù)。 了解：指令流調(diào)整技術(shù)，RISC優(yōu)化編譯技術(shù)。第三章存儲系統(tǒng) 掌握：存儲系統(tǒng)的定義，存儲系統(tǒng)的性能參數(shù)，地址映象與變換方法，替換算法，Cache存儲器工作原理，虛擬存儲器工作原理。 理解；低位交叉訪問存儲器，高位交叉訪問存儲器。 了解：Cache分析Cache寫操作，分段存儲系統(tǒng)，緩沖對虛擬存儲系統(tǒng)性能的影響，替換算法實現(xiàn)方法。第四章標量處理機 掌握：流水線工作原理，時空圖，線性流水線，輸人任務(wù)連續(xù)情況下單功能、線性流水線的吞吐率、。加速比和效率，超標量處理機工作原理和性能分析。 理解：輸人任務(wù)不連續(xù)情況下單功能、線性流水線的性能分析。 了解：超標量、超流水、超標量超流水處理機的典型結(jié)構(gòu)，流水線計算機的存儲器結(jié)構(gòu)，流水線中斷的控制方法，流水線技術(shù)的開發(fā)。第五章 向量處理機 掌握：向量處理，三種向量處理方式，存儲器存儲器結(jié)構(gòu)，寄存器寄存器結(jié)構(gòu)。 理解：鏈接技術(shù)。 了解：向量處理機的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存取模式，協(xié)處理器，向量處理機實例。 第六章互連網(wǎng)絡(luò) 掌握：互連網(wǎng)絡(luò)的作用，靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。 理解：存儲轉(zhuǎn)發(fā)尋徑，蟲蝕尋徑，線路開關(guān)尋徑，虛擬直通尋徑。 了解：互連函數(shù)，虛擬通道，單播，選播，廣播，會議，通道流量，網(wǎng)絡(luò)通信延時。第七章 并行處理機和多處理機 掌握：共享存儲多處理機，分布存儲多處理機，多處理機系統(tǒng)的特點，SIMD計算機基本結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點。理解：SIMD計算機的實例，多處理機實例。 了解：SIMD計算機的模型，并行算法，虛擬共享存儲器，多處理機性能模型，多處理機的Cache一致性，監(jiān)聽協(xié)議，基于目錄的協(xié)，MPP，SMP，機群系統(tǒng)。 四、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)試題類型及解答一、名詞解釋(15分，每題3分)1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2計算機組成3.計算機實現(xiàn)4.Amdahl定律5 CPI二、選擇題(45分，每題3分)1MIMD是指（）A、單指令流單數(shù)據(jù)流B、單指令流多數(shù)據(jù)流C、多指令流單數(shù)據(jù)流D、多指令流多數(shù)據(jù)流2下列那種存儲設(shè)備需要編址？A. 通用寄存器B. 主存儲器C. 輸入輸出設(shè)備D. 堆棧3對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下列（）是透明的。A、浮點數(shù)據(jù)表示B、程序性中斷C、訪問方式保護D、陣列運算部件4下列（）兼容方式對系列機來說是必須做到的。A、向前兼容B、向后兼容C、向上兼容D、向下兼容5假設(shè)一條指令的執(zhí)行過程可以分為“取指令”、“分析”和“執(zhí)行”三段，每一段的執(zhí)行時間分別為、和，順序執(zhí)行n條指令至少需要花費的時間為：A. B. C. D. 6 以下關(guān)于程序控制輸入輸出方式的說法哪些是不正確的？A）靈活性不夠好B）外圍設(shè)備與CPU是異步工作關(guān)系C）用于連接高速外圍設(shè)備D）處理機可以采用輪流循環(huán)測試方式7一個二級虛擬存儲器,CPU訪問主存和輔存的平均時間分別為1s和1ms.經(jīng)實測,此虛存平均訪問時間為100s.下面那種方法不能夠使得該平均值減?。緼） 選擇合適的頁面大小B） 采用較好的頁面替換算法C） 增加主存的容量D） 增加輔存的容量8下述幾個需要解決的問題中，那個是向量處理機所最需關(guān)心的？A.計算機指令的優(yōu)化技術(shù)B.設(shè)計滿足運算器帶寬要求的存儲器C.如何提高存儲器的利用率，增加存儲器系統(tǒng)的容量D.縱橫處理方式的劃分問題9隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和對指令系統(tǒng)的合理性的研究，精簡指令集計算機(RISC)出現(xiàn)并且逐步取代CISC的重要位置。下面所述不是CISC的主要缺點的是：A20%與80%規(guī)律BVLSI技術(shù)的不斷發(fā)展引起的一系列問題C軟硬件功能分配的問題D由于指令眾多帶來的編碼困難10下面說法那種正確？A.采用Huffman編碼一定不會比其他編碼方法效率低B.采用RISC一定比CISC的效率高C.在任何情況下，增加標志符一定減少程序所占用的存儲空間D.以上的說法都不正確11 SIMD是指（）A、單指令流單數(shù)據(jù)流B、單指令流多數(shù)據(jù)流C、多指令流單數(shù)據(jù)流D、多指令流多數(shù)據(jù)流12下列那種存儲設(shè)備不需要編址？A. 通用寄存器B. 主存儲器C. 輸入輸出設(shè)備D. 堆棧13按照計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，算術(shù)運算、邏輯運算和移位等指令應(yīng)屬于（）級機器語言。A、傳統(tǒng)機器語言機器B、操作系統(tǒng)機器C、匯編語言機器 D、高級語言機器14早期的計算機系統(tǒng)只有定點數(shù)據(jù)表示，因此硬件結(jié)構(gòu)可以很簡單。但是這樣的系統(tǒng)有明顯的缺點，下面哪一個不是它的缺點：A數(shù)據(jù)表示范圍小B單個需要的計算時鐘周期多C編程困難D存儲單元的利用率很低15下圖所示的時空圖對應(yīng)的處理機為：43212143時鐘周期I6I5I3I2I1指令4321432143214321A. 標量處理機B. 超標量處理機C. 超流水處理機D. 超標量超流水處理機三. 計算題(40分)1. (10分). 一條流水線連接圖如下所示，畫出200條指令連續(xù)通過該流水線的時空圖，并計算該流水線的加速比。（其中）S1S4S3t=tt=tt=tt=3t輸入輸出S22. (10分). 主頻為400MHz的微處理機，平均每條指令的執(zhí)行時間為兩個機器周期，每個機器周期由兩個時鐘脈沖組成，則當存儲器為“零等待”時，機器運行速度為多少MIPS。3. (20分).在下列不同類型的處理機上做向量運算：D=(A+B)*C，向量長度均為4，每個周期的時間為10ns。分別計算所需的最短時間，寫出簡要計算過程。1)(5分).SISD單處理機，有一個通用運算部件，每3個周期做完一次加法，或每4個周期做完一次乘法。2)(5分).流水線處理機，有一條兩功能靜態(tài)流水線，加法經(jīng)過其中的3段，乘法經(jīng)過其中的4段，每段的延遲時間均為一個周期。3)(10分).向量處理機，有獨立的加法器和乘法器，加法器采用3段流水線，乘法器采用4段流水線，每段的延遲時間均為一個周期，采用向量鏈接方式工作。試題答案一解釋下列術(shù)語或簡答以下問題(共45分，每小題3分)1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)【答案】系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設(shè)計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，這里的程序設(shè)計者所看到的計算機屬性是指為機器語言或編譯程序設(shè)計者所看到的計算機屬性，是硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)及其功能特性，它是計算機系統(tǒng)的軟、硬件的界面。2計算機組成【答案】計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。3計算機實現(xiàn)【答案】計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。4Amdahl定律【答案】Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。Fe=（改進前可改進部分占用的時間）/（改進前整個任務(wù)的執(zhí)行時間）Se=（改進前可改進部分的執(zhí)行時間）/（改進后改進部分的執(zhí)行時間）則，改進后整個系統(tǒng)加速比為。5 CPI【答案】每條指令平均時鐘周期數(shù)CPI=CPU時鐘周期數(shù)/IC（指令的條數(shù)）=其中=指令i在程序中執(zhí)行的次數(shù)。二、選擇題(45分，每題3分)1 D2 A,B,C3 D4 B5 C6 A,C7 D8 B9 D10 A11 B12 D13 A14 B15 C三. 計算題(40分)1解：0543216空間時間(ns)321n321nn321321n順序執(zhí)行的時間為T062001200ns采用流水方式執(zhí)行的時間為T1320061605ns加速比ST0/T1=1200/605=1.982 【答案】1003. 解：1)10ns4（34） 280ns，4次加法和4次乘法串行執(zhí)行2)10ns（67） 130ns，流水線執(zhí)行4次加法需要6個周期，流水線執(zhí)行4次乘法需要7個周期3)10ns（73） 100ns，得到第1個結(jié)果需要7個周期，另外3個結(jié)果需要3個周期計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)期末復(fù)習指導(dǎo)第一章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩種定義 定義1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機時提出：程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。指機器語言的程序員編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的功能特性(指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式)；數(shù)據(jù)表示(硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式)；尋址方式(最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運算等)；寄存器組織(操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等)；指令系統(tǒng)(機器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機制)等。 定義2：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定。計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。不同的組成只是性能和價格不同。 2計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，主要包括：確定數(shù)據(jù)通路的寬度；確定各種操作對功能部件的共享程度；確定專用的功能部件；確定功能部件的并行度；設(shè)計緩沖和排隊策略；設(shè)計控制機構(gòu)；確定采用何種可靠性技術(shù)。 3計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括：處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)；器件的集成度和速度；專用器件的設(shè)計；器件、模塊、插件、底版的劃分與連接；信號傳輸技術(shù)；電源、冷卻及裝配技術(shù)；相關(guān)制造工藝及技術(shù)等。 4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念，但隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。 5透明性，本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在，例如：浮點數(shù)表示、乘法指令對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明對匯編語言程序員、機器語言程序員不透明。例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序?qū)R編語言程序員、機器語言程序員透明，對硬件設(shè)計者、訓算機維修人員不透明。 6Amdahl定律，系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。 7CPI：每條指令的平均時鐘周期數(shù)。 8訪問的局部性原理：程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過的數(shù)據(jù)和指令。實驗表明，一個程序用90的執(zhí)行時間去執(zhí)行僅占10的程序代碼。局部性的實質(zhì)是：根據(jù)程序的最近情況，可以較精確地預(yù)測出最近的將來將要用到哪些指令和數(shù)據(jù)。局部性分時間上的局部性和空間上的局部性兩種。時間上的局部性是指最近訪問過的代碼是不久將被訪問的代碼?？臻g上的局部性是指那些地址上相鄰近的代碼可能會被一起訪問。存儲器體系的構(gòu)成就是以訪問的局部性原理為基礎(chǔ)的。 9MIPS定義。MIPS表示每秒百萬指令條數(shù)。對于一個給定的程序，它定義為：MIPS= 10MFLOPS定義。MFLOPS即每秒百萬次浮點操作次數(shù)，它定義為： MFLOPS=第二章指令系統(tǒng) 1指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計有兩個截然相反的方向 (1)復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機CISC(Complex lnstruction Set Computer)1)增強指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令 2)面向目標代碼、面向高級語言、面向操作系統(tǒng) 3)用一條指令代替一串指令 (2)精簡指令系統(tǒng)計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer) 1)只保留功能簡單的指令 2)功能較復(fù)雜的指令用子程序來實現(xiàn) 2RISC與CISC各自的特點和相互比較 3RISC的關(guān)鍵技術(shù) (1)旁路技術(shù) (2)延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)(3)指令取消技術(shù) (4)重疊寄存器窗口技術(shù) ： (5)指令流調(diào)整技術(shù) (6)以硬件為主固件為輔第三章存儲系統(tǒng) 一、基本概念 1存儲系統(tǒng)的定義 存儲系統(tǒng)是指兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來而成的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器,存儲容量與容量最大的那個存儲器相等或接近，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。程序訪問的局部性原理是層次存儲系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)。 2存儲器的主要性能參數(shù) (1)存取時間 從CPU到第i層存儲器的往返時間。 (2)存儲器容量 第i層的字節(jié)或字的數(shù)量。 (3)每字節(jié)成本 (4)傳輸帶寬 相鄰層之間傳輸信息的速率。 (5)傳輸單位 相鄰兩層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧６?如字、塊、頁等)。 3存儲器的主要性能參數(shù) (1)存取時間 從CPU到第i層存儲器的往返時間。 (2)存儲器容量 第i層的字節(jié)或字的數(shù)量。 (3)每字節(jié)成本 (4)傳輸帶寬 相鄰層之間傳輸信息的速率。 (5)傳輸單位 相鄰兩層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧６?如字、塊、頁等)。 4層次存儲器性質(zhì) (1)包含性 內(nèi)層的信息必然包含于其外層。所有的信息最初放在最外層。在處理過程中，其子集被一步步復(fù)制到內(nèi)層。 (2)一致性 同一個信息項在后繼存儲器層次上的副本是一致的。 如果在緩存中的一個字被修改過，那么在所有高層上該字的副本也必須立即或最后加以修改。 維護一致性的兩種策略：寫直達和寫回。前者指如果在內(nèi)層中修改了一個字，在外層中必須立即加以修改。而后者的處理方法是：在外層中的修改延遲到內(nèi)層中被修改的字被替換時才進行。 (3)局部性 時間局部性： 最近的訪問項很可能在不久的將來再次被訪問。 空間局部性： 一個進程所訪問的各項其地址彼此很近。 順序局部性：在典型程序中，除轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生不按次序的轉(zhuǎn)移外，指令都是順序進行的。5層次存儲系統(tǒng)的設(shè)計的目的是使有效存取時間接近于最內(nèi)層存儲器的存取時間，使總體的平均每字成本接近于最外層存儲器的每字成本，容量接近于最大存儲器的容量。 本章主要論述兩個二級層次存儲系統(tǒng)cache和虛擬存儲器。要解決的問題主要有： (1)塊頁的定位問題 (2)替換問題 (3)一致性問題(寫無效和寫更新) 6虛擬存儲器由主存儲器和聯(lián)機工作的外部存儲器共同組成。虛擬存儲器有段式、頁式、段頁式等地址映像與變換方法。加快內(nèi)部地址變換的技術(shù)主要有目錄表、快慢表、散列函數(shù)等。頁面替換算法主要有RAND、FIFO、LRU、LFU和OPT等算法。 7Cache的地址映像與變換方法有全相聯(lián)、直接相聯(lián)、組相聯(lián)和段相聯(lián)幾種。Cache的替換算法有輪轉(zhuǎn)法、FIFO、LRU、LFU、比較對法和堆棧法。Cache的實現(xiàn)全部是由硬件完成的。 8影響主存命中率的主要因素有 (1)程序在執(zhí)行過程中的頁地址流分布情況 (2)所采用的頁面替換算法 (3)頁面大小 (4)主存儲器的容量 (5)所采用的頁面調(diào)度方法 9Cache的命中率主要與如下幾個因素有關(guān) (1)程序在執(zhí)行過程中的地址流分布情況 (2)當發(fā)生Cache塊失效時，所采用的替換算法 (3)Cache的容量 (4)在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小和分組的數(shù)目 (5)所采用的Cache預(yù)取算法等。 10解決Cache與主存的不一致性問題，首先要選擇合適的Cache更新算法。一般有兩種Cache更新算法，寫直達法和寫回法。第四章輸入輸出系統(tǒng) 一、基本概念 1輸入輸出系統(tǒng) (1)在計算機系統(tǒng)中，通常把處理機和主存儲器之外的部分稱為輸入輸出系統(tǒng)，它包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件等 (2)輸入輸出系統(tǒng)的特點是異步性、實時性和設(shè)備無關(guān)性。 (3)基本的輸入輸出方式有三種：程序控制輸入輸出方式、直接存儲器訪問方式(DMA)和中斷輸入輸出方式。 (4)程序控制輸入輸出方式完全受CPU控制，數(shù)據(jù)的輸入輸出都要經(jīng)過CPU，用于連接低速外圍設(shè)備。 (5)直接存儲器訪問方式(DMA)主要用于連接高速外圍設(shè)備，它使得存儲器既可被CPU訪問，也可被外圍設(shè)備訪問。目前使用的DMA方式主要有三種：周期竊取方式、直接存取方式和數(shù)據(jù)塊傳送方式。 (6)中斷輸入輸出方式使得CPU與外圍設(shè)備可以并行工作，并可以處理例外事件。中斷方式常用于連接低速外圍設(shè)備。 2通道處理機(1)在大型計算機系統(tǒng)中，為把對外圍設(shè)備的管理工作從CPU中分離出來，普遍采用通道處理機技術(shù)。采用通道方式組織的輸入輸出系統(tǒng)，多采用主機一通道一設(shè)備控制器IO設(shè)備四級連接方式。通道通過執(zhí)行通道程序?qū)崿F(xiàn)對IO系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制。在CPU啟動通道后，通道自動地去內(nèi)存取出通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過程結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請求，CPU才進行通道結(jié)束處理工作。(2)通道可分為三類：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。字節(jié)多路通道常用于連接低速或中速的設(shè)備，選擇通道和數(shù)據(jù)多路通道用于連接高速設(shè)備。 (3)對于以上的三種通道，當每個通道上連接有P臺外圍設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)時，總共所需的時間分別為：其中Ts指設(shè)備選擇時間，TD指傳送一個字節(jié)所需的時間。 (4)通道的流量是指一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間內(nèi)，單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。一個通道在滿負荷工作下的流量稱為通道最大流量。三種通道的最大流量計算公式如下： (5)字節(jié)多路通道的實際流量是指連接在這個通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率之和。而選擇通道和數(shù)據(jù)多路通道的實際流量是指連接在這個通道上的所有設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率的最大值。 3輸入輸出處理機 。在大型、巨型計算機系統(tǒng)中，常采用輸入輸出處理機來分擔中央處理機的輸入輸出任務(wù)。輸入輸出處理機是一臺獨立的處理機，具有一定的運算功能。它具有自己的存儲器，不必通過主存儲器就能完成與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，大大提高