计算机系统结构.docx
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计算机系统结构
计算机系统结构
计算机系统结构
计算机系统结构作业1
第1章计算机系统结构的基本概念
一、解释下列术语：
计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；指令流；数据流；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。
二、硬件和软件在什么意义上是等效的?
在什么意义上是不等效的?
试举例说明。
三、假设高速缓存Cache工作速度为主存的5倍，且Cache桩访问命中的概率为90％，则采用Cache后，能便整个存储系统获得多高的加速比SP？
第2章指令系统
一、一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。
1．设计这种浮点数的格式。
2．计算
（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。
二、一台处理机具有如下的指令格式
1
3位
X
OP
寄存器
地址
其中，
1．每个指令字中专门分出3位来指明选用哪一个通用寄存器（12位）；
2．最高位用来指明它选定的那个通用寄存器将用作变址寄存器（X=1时）；
3．主存容量最大为16384字。
问：
（1）假如我们不用通用寄存器也能直接访问主存中的每一个操作数，同时假设有用的操作码位数至少有7位，试问：
在此情况下，地址码域应分配多少位?
OP码应分配多少位?
指令字应有多少位?
（2）假设条件位X=0，且指令中也指明要使用某个通用寄存器，此种情况表明指定的那个通用寄存器将用基值寄存器。
请提出一个硬件设计规则，使得被指定的通用寄存器能访问主存中的每一个位置。
（3）假设主存容量扩充到32768字，且假定硬件结构已经确定不变，问采用什么实际方法可解决这个问题?
三、试回答有关RISC、CISC以及超标量的结构问题
1．就指令格式．寻址方式和每条指令的周期数CPI等方面比较RISC和CISC处理机的指令系统结构。
2．就指令发射，流水线和处理机性能等方面说明标量RISC和超标量RISC之间的区别。
四、在某个程序中，简单指令占80％，复杂指令占20％。
在CISC机中简单指令执行需4个机器周期，复杂指令执行需8个周期。
在RISC机中简单指令执行只需1个周期，而复杂指令要通过一串指令来实现。
假定每条复杂指令平均需要14条简单指令，即需要14个周期，若该程序中需执行的总指令数为1000000，TC为l00ns，那么：
1．RISC机需执行的指令数为多少?
2.CISC和RISC机的CPU时间分别为多少？
3．RISC机对CISC机的加速比为多少?
五、如指令执行过程采用顺序执行方式，一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是什么?
各有什么优缺点?
计算机系统结构作业2
第3章存储系统
一、试解释以下与高速缓存结构有关的术语：
1．低位存储器交叉存取；
2．物理地址与虚拟地址高速缓存的比较；
3．原子与非原子存储器存取的比较；
4．存储器带宽与容错。
二、试比较四种高速缓存组织的优缺点
1．直接映射高速缓存；
2．全联想高速缓存；
3．组联想高速缓存；
4．区段映射高速缓存。
三、设有一个主存储器，它包含4个存储器模块，每个模块有256个字。
再假定每个高速缓存块中有16个字，高速缓存的总容量是256个字。
使用组联想映射将高速缓存块定位到块框中。
高速缓存被分成4组。
1．说明在主存储器的4路低位交叉存取结构中全部1024个字的地址分配。
2．存储器有多少块，高速缓存有多少块框。
3．说明在两层存储器系统中对每个字进行寻址所需的位字段。
4．表示出从主存储器的块到高速缓存的组的映射关系，并解释如何利用标记字段在每组范围内定位一个块框。
四、假定有一个处理机台数为p的共享存储器多处理机系统。
设m为典型处理机每条指令执行时对全局存储器进行访问的平均次数。
设t为共享存储器的平均存取时间，x为使用本地存储器的单处理机MIPS速率，再假定在多处理机的每台处理机上执行n条指令。
1．根据参数m,t,x,n和p，确定多处理机的有效MIPS速率。
2．假设一台多处理机有p=32台RISC处理机，m=0．4，t=1us,要使多处理机的有效性能达到56MIPS,需要每台处理机的MIPS速率是多少（即x=?
）?
第4章输入输出系统
一、某磁盘存储器转速为3000转／min，共有4个记录面，每道记录信息为12288B，最小磁道直径为230mm，共有275道。
问：
1．磁盘存储器的存储容量是多少?
2．最高位密度是多少?
3．磁盘数据传输率是多少?
二、已知某磁盘存储器的转速为2400转／min，每个记录面道数为200道，平均查找时间为60ms，每遭存储容量为96Kbit，求磁盘的平均存取时间与数据传输串。
三、在用于数据库事务处理的计算机系统中，有以下两种IO系统：
1．系统A每秒钟支持1000个IO操作。
2．系统B每秒钟支持750个IO操作。
以上两种系统使用同样的CPU，其处理速度为50MIPS，假定每次事务处理需5个IO操作，每个IO操作需10000条指令。
忽略其他的延迟，问以上两种系统的最高事务处理速度是多少?
四、常用的直接存储器访问方式（DMA）有哪几种?
它们的工作原理和主要优缺点各是什么？
五、有5个中断源D1、D2、D3、D4、和D5，它们的中断优先级从高到低分别是1级、2级、3级、4级和5级，这些中断源的中断优先级、正常情况下的中断屏蔽码和改变后的中断屏蔽码见表4．5所示。
每个中断源有5位中断屏蔽码，“O”表示该中断开放，“1”表示该中断被屏蔽。
表4．55个中断源的中断优先级和屏蔽码
中断源名称
中断优先级
正常中断屏蔽码
改变后的中断屏蔽码
D1
D2
D3
D4
D5
D1
D2
D3
D4
D5
D1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
D2
2
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
D3
3
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
D4
4
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
D5
5
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1．当使用正常的中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求的顺序是什么?
实际的中断处理次序是什么?
2．当使用改变后的中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求的顺序是什么?
实际的中断处理次序是什么?
计算机系统结构作业3
第5章标量处理机与流水线
一、在一台单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序，取指令、指令译码各需要一个时钟周期，MOVE、ADD和MUL操作分别需要2个、3个和4个时钟周期。
每个操作都在第一个周期从通用寄存器中读操作数，在最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中。
k:
MOVER1,R0;RI←（R0）
k+l:
MULR0,R2,R1;R0←（R2）x（R1）
k+2:
ADDR0,R2,R3;R0←（R2）+（R3）
1．就程序本身而言，可能有哪几种数据相关?
2．在程序实际执行过程中，有哪几种数据相关会引起流水线停顿?
3．画出指令执行过程的流水线时空图，并计算执行完这三条指令共使用了多少个时钟周期。
二、一条线性静态多功能流水线由6个功能段组成，加法操作使用其中的1、2、3、6功能段，乘法操作使用其中的1、4、5、6功能段，每个功能段的延迟时间均相等。
流水线的输入端与输出端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。
现在用这条流水线计算：
F=
。
要求获得最好的性能。
画出流水线时空图，井计
3．向量化编译器或量化器；
4．向量归约指令；
5．收集和散播指令；
6．稀疏矩阵和屏蔽指令。
二、在下列的处理机上计算S=
，求最短执行时间。
向量X和标量a在内存中，从内存读一个数据到寄存器需要10ns，做一次乘法需要20ns，做一次加法需要15ns，取指令、译码、读寄存器、写寄存器的时间忽略不计。
写出主要计算步骤。
（1）向量处理机，有访问存储器、乘法、加法三个独立的操作部件，三个操作部件均采用流水线结构，流水线周期为5ns。
（求最后4个数的乘积可以用标量流水线方法计算）
三、解释下列术语：
向量流水处理；分段开采；链接技术：
向量和标量的平衡点；向量循环；向量递归；向量流水线流过时间；半性能向量长度；最大性能。
四、叙述向量流水处理的主要特点，它与标量流水相比有何不同之处?
五、向量流水机的工作方式可分为哪两大类?
它们的主要特点是什么？
计算机系统结构作业4
第7章互连网络
一、解释下列术语：
互连网络；静态网络；动态网络；结点度；网络直径；选播；广播；通道流量；网络通信时延。
二、解释下列与网络通信模式有关的术语
1．单播与选播；
2．广播与会议；
3．通道流量或网络流量；
4．网络通信时延。
第8章SIMD计算机
一、解释下列概念：
空间并行性；时间并行性；共享存储器结构；分布式存储器结构；标量处理机；寻径功能。
二、区别与比较以下几个术语：
并行处理机；SIMD计算机；阵列处理机。
三、简述SIMD计算机的分布式存储器结构与共享存储器结构异同。
第9章多处理机
一、解释下列术语：
共享存储多处理机；分布存储多处理机；SMP；S2MP；MPP；机群系统虚拟共享存储器；Cache一致性。
二、多处理机有哪些基本特点?
发展这种系统的主要目的有哪些?
多处理机着重解决哪些技术问题?
三、何谓大规模并行处理机?
它的主要特点是什么?
四、何谓SMP?
它的主要特点是什么?
五、何谓机群系统？
它的主要特点是什么?
六、何谓虚拟共享存储器？
叙述它的优点。
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