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姓

名

2010－2011学年第 2 学期课程名称：

计算机体系结构

得分

一．填空题（每小题1分，共15分）

1. 计算机系统结构是指由程序员所看到的计算机的属性，即和功能特性。

2.Amdahl定律的一个重要推论是，如果只针对整个任务的一部分进行优化，那么所获得的加速比不大于1/（1-可改进比例）。

3. 软件兼容是指同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，它们获得的结果一样，差别只在于运行时间不同。

4.CPU中用于存储操作数的3种存储单元分别为堆栈、累加器和寄存器。

5.DLX指令有3种指令格式，分别是I类型指令、R类型指令和J类型指令。

6.流水线中的相关分为数据相关、结构相关和控制相关三类。

7.Cache主要是为解决主存速度满足不了要求而提出来的，而虚拟存储器主要是为解决主存容量满足不了要求而提出来的。

8. 增加Cache块大小可以降低强制性失效，但同时也会增大冲突性失效。

二．选择题（每小题1分，共10分）

1.汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是经 来实现的。

A．编译程序解释 B．汇编程序解释

C．编译程序翻译 D．汇编程序翻译

2.系列机软件应做到 。

A．向前兼容，力争向上兼容 B．向前兼容，力争向下兼容C．向后兼容，力争向下兼容 D．向后兼容，力争向上兼容

3.操作数表示指的是能由 直接识别和引用的数据类型。

A．软件 B．硬件

C．机器语言 D．数据结构

4.哈夫曼压缩编码的方法是 。

A．用短位数表示低概率事件，用长位数表示高概率事件B．用短位数表示高概率事件，用长位数表示低概率事件C．用字节表示低概率事件，用字表示高概率事件D．用字节表示高概率事件，用字表示低概率事件

5.衡量流水线的主要性能指标是 。

A．流水线容量 B．流水线长短C．流水线规模 D．流水线吞吐率和效率

6.如果对DLX作改进，将分支转移成功与否的判断移至下述 段，并尽早计算出转移目标地址，可以减少分支开销。

A．IF B．ID

C．EX D．MEM流水线中

7.设指令取指、分析和执行阶段分别需要t时间，则一次重叠方式下平均完成一条指令需要 。

A．t B．2t

C．3t D．4t

8.CRAY-1向量处理机在下述哪种情况下可以并行执行指令 。

A．向量寄存器不同，功能部件相同B．向量寄存器相同，功能部件不同C．向量寄存器相同，功能部件相同D．向量寄存器不同，功能部件不同

9.伪相联的失效率等于 。

A．直接映象Cache的失效率

B．2路组相联Cache的失效率

C．4路组相联Cache的失效率

D．8路组相联Cache的失效率

10.采用虚拟Cache技术时，为避免进程切换时清空Cache,可在Cache

地址标识中增加 。

A．进程标识字段 B．有效位字段

C．修改位字段 D．访问计数字段

题号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

答案

D

B

C

A

三.简答题（共5小题,每小题5分）1．实现软件移植的途径有哪些？

各受什么限制？

实现软件移植的途径有：

统一高级语言，系列机方法，模拟和仿真。

统一高级语言存在问题：

存在一定的困难，争取汇编语言或机器语言的统一。

系列机方法存在问题：

在汇编语言兼容的前提下，系统结构的发展很有限，有时连突破性的组成技术都无法采用。

模拟存在问题：

结构差异很大时，效率、速度会急剧下降。

仿真存在问题：

实现不灵活，当两种机器结构差别很大时，效率低甚至

难以仿真。

2.简述RISC结构的设计原则。

（1）选取使用频度最高的指令，并补充一些最有用的指令；

（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；

（3）所有指令长度均相同；

（4）只有LOAD和STORE操作指令才能访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行；

（5）以简单有效的方式支持高级语言。

3.简述向量处理机的速度评价方法，并与标量处理机的速度评价方法作对比。

在科学计算中，常常用每秒取得多少个浮点运算结果表示机器速度，以MFLOPS作为测量单位。

这一指标不能直接和标量处理机所用的MIPS相比。

因为计算机执行的指令，除运算指令外，还有更多的服务性指令（如Load、Store、测试和分支等）。

在每秒执行多少条指令的速度指标中，是把这些服务性指令都考虑在内的；

而在每秒取得多少个浮点运算结果的速度指标中，则不考虑这些指令。

一般认为，在标量计算机中，执行一次浮点运算需要2-5条指令，因此，如果要把这两种速度指标放在一起的话，那么就应该把MFLOPS乘以一个系数，得出相应的MIPS。

4.简述降低流水线分支损失的延迟分支方法及3种不同调度策略。

从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。

所有顺序后继指令都处于

“分支延迟槽”中，无论分支成功与否，流水线都会执行这些指令。

下面分别从调度要求和对流水线性能改善的影响描述3种调度策略：

1）从前调度。

分支不依赖于被调度的指令。

总是可以有效提高流水线性能。

2）从目标处调度。

如果分支转移失败，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响，可能需要复制被调度指令。

分支转移成功时，可以提高流水线性能。

但由于复制指令，

可能加大程序空间。

3）从失败处调度。

如果分支转移成功，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响。

分支转移失败时，可以提高流水线性能。

5.在减少CACHE失效率的方法中，哪种方法降低了CACHE失效率但却增加了命中时间？

简述其原因。

提高相联度方法。

增大相联度，即增加了每组中Cache块的候选位置，可以降低冲突性失效。

但由于候选位置的增多，需花费比直接映象更长一点时间来查找数据，即增加了命中时间。

四．（本题10分）五．（本题12）对于一台500MHz的计算机执行标准测试程序，程序中的指令类型、执行数量和平

均时钟周期数如下表所示。

指令类型

指令执行频度

平均时钟周期数

整数运算指令

0.40

数据传输指令

0.30

浮点指令

0.25

转移指令

0..5

试求

（1）该计算机的有效CPI，MIPS和CPU时间。

（2）在进行优化编译后，整数运算指令减少了1/2,浮点指令减少了1/5,试计算优化后机器的CPI，MIPS和CPU时间。



五.（本题15分）一台模型机有9条指令，其使用频度分别为

30%，24%，20%，7%，7%，6%，3%，2%，1%。

该模型机有8位和

16位两种指令字长，采用扩展操作码，并限制只能有两种操作码码长。

8位字长指令为R-R二地址类型，16位字长指令为R-M二地址变址寻址类型。

（1）不考虑其他要求，根据使用频度设计出哈夫曼编码。

（2）根据给出的全部要求，设计出优化实用的扩展操作码，并计算平均码长。

（3）设计该机的2种指令格式，标出各字段位数。

该机允许使用多少可编址的通用寄存器？

访存变址寻址的最大偏移量是多少字节？

（假设通用寄存器可作为变址寄存器）

六．（本题10）求向量D=A*（B+C），A、B、C和D为128个元素的向量，在Cray-1向量机上实现，需分解为下

列向量指令：

七．（本题15分）在一个由6个功能段组成的动态双功能

1.LV V1, B

2.LV V2, C

3.ADDV V3, V1, V2

流水线上计算下列表达式：

Õ

（ai+bi）

i=1

4.LV V4, A

5.MULTSV V5, V3, V4

6.SV D, V5

假设在该向量处理机中，Tloop=15，向量存储部件启动需12个时钟周期，向量加法部件启动6个，向量乘法部件启动7个时钟周期，向量寄存器长度为MVL=64，当用下列2种方式工作时，各需多少拍才能得到全部结果？

（1）不采用链接技术，请写出指令执行时的编队，并计算总执行时间；

（2）采用链接技术，请写出指令执行时的编队，并计算总执行时间；

加法时按S1→S4→S5→S2连接，乘法时按S1→S2→S3→S6连接，输出可直接返回作为输入，每段通过的时间为1拍，功能切换时间忽略不计，求完成上述运算所需的最少拍数，画出流水时空图，并求出加速比

（Sp）,效率（E）和吞吐率（Tp）.