计算机系统结构复习题

1 【简答题】 传统的存储程序计算机的主要特征是什么存在的主要问题是什么目前计算机系统是如何改 进的 正确答案： 解： 主要特征： (1)机器以运算器为中心； (2)采用存储程序原理； (3)存储器是按地址访问的、线性编址的空间； (4)控制流由指令流产生； (5)指令由操作码和地址码组成； (6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算。 主要问题和改进： (1)问题：以运算器为中心，所有部件的操作都由控制器集中控制，导致慢速输入输出操作 占用快速运算器矛盾，影响运算器效率发挥。 改进：各种分布式的 I/O 处理或输入输出方式如程序控制、DMA(直接存储器访问)方式、 I/O 处理机等。 (2)问题：数据和指令存放在同一存储器中，自我修改程序是难以编制、调试和使用的，不 利于指令执行的重叠和流水。 改进：通过存储管理硬件的支持，由操作系统控制在程序执行过程中不准修改程序。 (3)问题：访问存储器次数较多影响计算机系统性能。 改进：按内容访问的相联存储器 CAM，大量使用通用寄存器，在 CPU 和主存之间设置高速缓 冲存储器 cache。 (4)问题：受程序计数器控制，程序执行只能串行、顺序执行。 改进：改进 CPU 的组成，如采用重叠方式、先行控制、多操作部件甚至流水方式把若干条指 令的操作重叠起来；采用向量处理技术、多机并行处理，总之通过并行处理技术进一步提升 计算机系统速度。 (5)问题：需要指令功能更加丰富，但实现困难；计算机存储器容量大增，采用直接寻址方 式指令中地址码位数不够。 改进：出现了 CISC 和 RISC 指令系统，CISC 用硬件实现大量丰富功能，RISC 只包含使用频 率高的少量指令；采用多种灵活的寻址方式，如间接寻址、相对寻址、变址寻址、基址寻 址、页式寻址等。 2 【简答题】 通用寄存器型指令系统结构在灵活性和提高性能方面的优势主要体现在哪几个方面 正确答案： (1)寄存器的访问速度比存储器快很多； (2)对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。在表达式求值方面，通用寄存 器型结构具有更大的灵活性和更高的效率。 3 【简答题】 简述指令系统结构中采用多种寻址方式的优缺点。 正确答案： 采用多种寻址方式优点是可以显著地减少程序的指令条数，缺点是可能增加计算机的实现复 杂度以及指令的平均执行时钟周期数。 4 【简答题】 根据 CPU 性能公式简述 RISC 指令集结构计算机和 CISC 指令集结构计算机的性能特点。 正确答案： 1、CISC 指令系统计算机特点是指令数量多、功能多样，除了包含基本指令外，往往还提供 了很多功能很强的指令。根据 CPU 性能公式，只有对于频繁使用的子程序或指令串，用较强 功能的指令取而代之才划得来。CISC 指令系统据统计，只有 20%的指令使用频度比较高，占 运行时间的 80%，而其余 80%的指令只在 20%的运行时间内才会用到，而且使用频度高的指令 也是最简单的指令。CICS 指令系统有可能降低系统的性能和效率。 2、RISC 指令系统指令条数少，指令功能简单。确定指令系统时，只选取使用频度很高的指 令，在此基础上补充一些最有用的指令，克服上述CISC 的缺点。 5 【简答题】 简述流水线技术特点。 正确答案： (1)流水过程由多个相联系的子过程组成； (2)每个子过程由专用的功能段实现； (3)各个功能段所需时间尽量相等； (4)流水线有“通过时间”(第一个任务流出结果所需的时间)。在此之后流水过程才进入稳 定工作状态，一拍流出一个结果； (5)流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端连续提供任务、流水线效率才可充分 发挥。 6 【简答题】 什么是主存块和 Cache 块的映像规则，主要有几种，试简述之。 正确答案： 当把一个块从主存调入 Cache 时，决定主存块在 Cache 中位置对应关系的规则叫做映像规 则。映像规则主要有三种。 (1)直接映像：主存块只能被放置到唯一的一个Cache 块的位置。 (2)全相联映像：主存块可以被放置到任意一个Cache 块的位置。 (3)组相联映像：主存块可以被放置到唯一的一个Cache 组中的任意一个 Cache 块的位置。 7 【简答题】 简述“Cache-主存”层次与“主存-辅存”层次的区别。 正确答案： 8 【简答题】 请根据以下图片说一说 Cache 中三种失效与 Cache 容量的关系。 正确答案： (1) 相联度越高，冲突失效就越少； (2) 强制性失效不受 Cache 容量的影响，但容量失效却随着容量的增加而减少；强制性失效 和容量失效不受相联度的影响； (3) 表中的数据符合 2:1 的 Cache 经验规则，即大小为 N 的直接映象 Cache 的失效率约等于 大小为 N/2 的两路组相联 Cache 的失效率。 9 【简答题】 请简述四种通过降低 Cache 失效率来改进 Cache 性能的方法。 正确答案： (1)调节 Cache 块大小：是降低失效率最简单的方法。对于给定容量的Cache，当块大小从较 小如 16 个字节开始增加时，失效率开始下降，当块大小增加较大时，失效率开始上升， Cache 容量越大，使得失效率达到最小的块大小也越大。 (2)提高相联度：提高相联度会降低失效开销，但却增加了命中时间，因此当Cache 容量较 小时可以采用较高的相联度如 4 路或 8 路，Cache 容量较大时宜采用较低的相联度。 (3)Victim Cache:在 Cache 与下一级存储器的数据通路间增加一个全相联的小Cache 即 Victim Cache 放置被替换出的 Cache 块，当发生失效时，先检查Victim Cache 有所需块， 如果有调入 Cache。此法增加了软硬件开销。 (4)硬件预取：利用局部性原理，预取指令和数据放入Cache，指令预取已经非常普遍了。此 法增加了硬件开销。 (5)编译器控制的预取：利用局部性原理，预取指令和数据放入Cache，此法不增加硬件开 销。 (6)编译器优化：编译时对程序中的指令和数据重新组织，如数组合并、内外循环交换、循 环融合、分块等，利用局部性原理降低Cache 失效率。此法中指令重排序可能引发数据相关 问题。 10 【名词解释】 体系结构 正确答案： 程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。 11 【名词解释】 软件兼容 正确答案： 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，而且它们所获得的结果一 样，差别只在于运行时间不同。 12 【名词解释】 存储程序计算机 正确答案： 冯诺依曼结构计算机，采用存储程序原理，将程序和数据存放在同一存储器中。指令在存储 器中按其执行顺序存储，由指令计数器指明每条指令所在的单元地址。 13 【名词解释】 并行性 正确答案： 在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。 14 【名词解释】 大概率事件优先 正确答案： 计算机体系结构中最重要和最常用的原则，即对最常见事件赋予优先处理权和资源使用权， 以获得全局的最优结果。 15 【名词解释】 系统加速比 正确答案： 系统改进前与改进后总执行时间之比。 16 【名词解释】