本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 二0一0級(jí)本科試題（A）答案1

PAGEPAGE9二0一0級(jí)本科《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》試題A答案一、名詞解釋（答在題紙上，30分）：SIMD：單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)RISC：精簡指令集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)Cache：高速緩沖存儲(chǔ)器透明性：本來存在的事務(wù)或?qū)傩?，從某個(gè)角度上看不到。反之，不透明。模擬：模擬是用機(jī)器語言程序解釋實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級(jí)之間界面的劃分和定義，以及對(duì)各級(jí)界面上、下的功能進(jìn)行分配。并行性：在同一時(shí)刻或是在同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，他們?cè)跁r(shí)間上能相互重疊，體現(xiàn)并行性。資源重復(fù)：是在并行性概念中引入空間因素，通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高可靠性或性能。實(shí)頁沖突：兩個(gè)以上的虛頁想要進(jìn)入主存中同一個(gè)頁面位置的現(xiàn)象。地址變換：是程序按照地址映像關(guān)系裝入實(shí)存后，在執(zhí)行時(shí)，多用戶虛地址Ns如何變換成對(duì)應(yīng)的實(shí)地址np。二、簡答下列各題（30分）：試述現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。M5：應(yīng)用語言機(jī)器應(yīng)用語言M4：高級(jí)語言機(jī)器高級(jí)語言M3：匯編語言機(jī)器匯編語言M2：操作系統(tǒng)機(jī)器作業(yè)控制語言M1：傳統(tǒng)機(jī)器機(jī)器指令系統(tǒng)M0：微程序機(jī)器微指令系統(tǒng)試述陣列處理機(jī)與多處理機(jī)的區(qū)別。方方面并行處理機(jī)多處理機(jī)

結(jié)構(gòu)靈活性針對(duì)向量、數(shù)組處理而設(shè)計(jì)的，有專用性，雖然處理單元數(shù)多16384個(gè)，但設(shè)置有限的、固定的機(jī)間互連通路實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序段的并行，適應(yīng)算法，結(jié)構(gòu)靈活多變，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)間互連，避免爭用共享的硬件資源程序并行性實(shí)現(xiàn)操作級(jí)并行，并行性存在指令內(nèi)部并行性還存在于指令外部，表現(xiàn)于多個(gè)任務(wù)間的并行

并行任務(wù)派生通過指令來反映數(shù)據(jù)間是否并行計(jì)算，并由指令直接啟動(dòng)多個(gè)處理單元并行工作需要專門的指令或語句指明程序中各程序段的并發(fā)關(guān)系，并控制并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程同步實(shí)現(xiàn)指令內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)操作的并行實(shí)現(xiàn)指令、任務(wù)作業(yè)級(jí)的并行資源分配和任務(wù)調(diào)度處理單元數(shù)目固定，利用屏蔽手段，改變數(shù)目處理機(jī)數(shù)目不固定，復(fù)雜CPU寫Cache時(shí)內(nèi)容不一致現(xiàn)象，有那兩種解決方法？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？有兩種方法：寫回法（抵觸修改法）：是在CPU執(zhí)行寫操作時(shí)，信息只寫入Cache，僅當(dāng)需要被替換時(shí)，才將已被寫入過的Cache塊先送回主存，然后再調(diào)入新塊。寫直達(dá)法（直達(dá)法）：利用Cache-主存存儲(chǔ)層次在處理機(jī)和主存之間的直接通路，每當(dāng)處理機(jī)寫入Cache的同時(shí)，也通過此通路直接寫入主存。在可靠性上，寫直達(dá)法優(yōu)于寫回法；在與主存的通信量上，寫回法少于寫直達(dá)法；在控制的復(fù)雜性上，寫直達(dá)法比寫回法簡單；在硬件實(shí)現(xiàn)的代價(jià)上，寫回法要比寫直達(dá)法好。試用圖示法說明超標(biāo)量、超流水線和超長指令字技術(shù)原理。取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行存結(jié)果部件時(shí)間度m=3的執(zhí)行時(shí)空?qǐng)D147102581136912147102581136912147102581136912147102581136912取指譯碼執(zhí)行存結(jié)果取指譯碼執(zhí)行存結(jié)果部件時(shí)間度m=3的超標(biāo)量處理機(jī)時(shí)空?qǐng)D試述分頁式虛擬存儲(chǔ)器與分段式虛擬存儲(chǔ)器的含義和區(qū)別。頁式：將主存空間和程序空間都機(jī)械等分成大小相同的頁面，以頁為單位在主存—輔存之間調(diào)度。對(duì)應(yīng)用程序員完全透明，由系統(tǒng)劃分，硬件較少，地址變換速度快，調(diào)入操作簡單，靜態(tài)連接程序；段式：把程序在邏輯上分解成相對(duì)獨(dú)立的段(模塊)，每個(gè)段都從0開始相對(duì)編址，以段為單位在主存—輔存之間調(diào)度。段獨(dú)立，有利于程序員靈活實(shí)現(xiàn)段的連接、段的擴(kuò)大/縮小和修改，而不影響其他段，易于針對(duì)其特定類型實(shí)現(xiàn)保護(hù)，把共享的程序或數(shù)據(jù)單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)段，從而易于實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶、進(jìn)程對(duì)共用段的管理，動(dòng)態(tài)連接程序。三、（10分）某臺(tái)計(jì)算機(jī)有10條指令，它們出現(xiàn)的頻度如下表所示，請(qǐng)給出10條指令的定長編碼方案、Huffman編碼方案、擴(kuò)展編碼方案。指令12345678910頻度0.200.250.150.080.070.060.050.050.050.04解：a)定長編碼0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001b)Huffman編碼1101001000110111010100110000000100000c)擴(kuò)展編碼00011011000110011101011011111001110111110四、（10分）有16個(gè)存儲(chǔ)器模塊，每個(gè)模塊的容量為4M字節(jié)，字長為32位?，F(xiàn)在要用這16個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成一個(gè)主存儲(chǔ)器，有如下幾種組織方式：方式1：16個(gè)存儲(chǔ)器模塊采用高位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器。方式2：16個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成并行訪問存儲(chǔ)器。方式3：2路高位交叉8路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器。(1)寫出各種存儲(chǔ)器的地址格式(2)比較各種存儲(chǔ)器的優(yōu)缺點(diǎn)(3)不考慮訪存沖突，計(jì)算各種存儲(chǔ)器的頻帶寬度解：(1)存儲(chǔ)器按字節(jié)尋址。16個(gè)存儲(chǔ)器模塊位地址；存儲(chǔ)器單元數(shù)4M*8/32=1M20位地址。16個(gè)存儲(chǔ)器采用高位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器：4位20位模塊地址模塊內(nèi)部單元號(hào)(塊內(nèi)地址)16個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成并行訪問存儲(chǔ)器：20位4位模塊內(nèi)部單元號(hào)(塊內(nèi)地址)選模塊注：PAGE\#"'Page:'#'

'"通過數(shù)據(jù)選擇器2路高位交叉8路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器：1位20位3位選存儲(chǔ)體模塊內(nèi)部單元(塊內(nèi)地址)選模塊(2)高位交叉存儲(chǔ)器一個(gè)模塊出現(xiàn)故障其他模塊仍然能夠正常工作，容錯(cuò)能力較好，但如果所讀的數(shù)據(jù)地址是連續(xù)的，則一個(gè)存儲(chǔ)周期就只能讀出一個(gè)存儲(chǔ)字，帶寬較低。并行存儲(chǔ)器的并行性高，一個(gè)周期能同時(shí)讀出多個(gè)數(shù)據(jù)，但是沖突大。低位交叉存儲(chǔ)器若采用流水線工作方式，一次能夠取出一個(gè)數(shù)據(jù)塊，帶寬較高，但是如果一個(gè)存儲(chǔ)器模塊出錯(cuò)，整個(gè)存儲(chǔ)體都無法正常工作，容錯(cuò)能力較差。二維并行存儲(chǔ)器即吸取了低位交叉的特點(diǎn)，一次能夠取出一個(gè)數(shù)據(jù)塊，帶寬較高。又吸取了高位交叉的特點(diǎn)，容錯(cuò)性好，容量易于擴(kuò)充。(3)存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，按字存取。16個(gè)存儲(chǔ)器采用高位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器：因?yàn)槭歉呶唤徊嫠砸粋€(gè)存儲(chǔ)周期只能讀出一個(gè)存儲(chǔ)字B=1W16個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成并行訪問存儲(chǔ)器：(并行方式)一個(gè)周期能讀出16個(gè)存儲(chǔ)字B=16W2路高位交叉8路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器：(流水線方式)一個(gè)周期能讀出8個(gè)存儲(chǔ)字B=8W五、（10分）在一個(gè)5段的流水線處理機(jī)上需經(jīng)6拍才能完成一個(gè)任務(wù)，其預(yù)約表為：T1T2T3T4T5T6S1√√S2√√S3√S4√S5√√分別寫出延遲禁止表、沖突向量，畫出流水線狀態(tài)圖，計(jì)算平均延遲最小的調(diào)度方案，并畫出包含4個(gè)任務(wù)的時(shí)空?qǐng)D。解：F={3,4,5}，C=(11100)簡單循環(huán)如下：(1，1，6)，(2，6)，(6)，(1，6)，其中最小啟動(dòng)循環(huán)為(1，1，6)預(yù)約表如下圖：六、(10分)下圖是一個(gè)23×23的Delta網(wǎng)絡(luò)。

(1)問該網(wǎng)絡(luò)在任何處理機(jī)和任何存儲(chǔ)器模塊之間是否都有一個(gè)通路？

(2)令d2d1d0是二進(jìn)制編號(hào)為p2p1p0的某處理機(jī)所要訪問的存儲(chǔ)模塊號(hào)的二進(jìn)制編碼，網(wǎng)絡(luò)中第0、1、2級(jí)的控制信號(hào)分別為x0、x1、x2，其中第i級(jí)控制信號(hào)xi為0時(shí)，控制成直連；xi為1時(shí)控制成交叉連接。根據(jù)某處理機(jī)p2p1p0給出的訪存模塊號(hào)d2d1d0，為了將網(wǎng)絡(luò)通路建立起來，請(qǐng)寫出控制信號(hào)x0、x1、x2與d0、d1、d2及p0、p1、p2的邏輯關(guān)系式。

(3)若0號(hào)處理機(jī)訪問2號(hào)存貯模塊的同時(shí)，4號(hào)處理機(jī)要訪問4號(hào)存儲(chǔ)模塊，6號(hào)處理機(jī)要訪問3號(hào)存貯模塊，問是否發(fā)生阻塞？解：(1)是。利用x0,x1,x2級(jí)控制的不同狀態(tài)，任何處理機(jī)均可連接至任何一個(gè)存儲(chǔ)器模塊。(2)x0x1x2000d001d010d011d100d101d110d1