《计算机系统结构》形成性考核册

电大文库【计算机系统结构】形成性考核册答案注：本答案仅供参考，如有错误敬请指正来源：【电大文库】http://www.diandawenku.com/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；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是指计算机组成的物理实现。透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。 所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。软件兼容：在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间）Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）则，改进后整个系统加速比为 。每条指令平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）= 其中 =指令i在程序中执行的次数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。 【答案】二者在功能上是等效的，实现方式上不等效。比如完成浮点乘法，可以通过硬件逻辑电路实现，也可以通过软件编程实现。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？【答案】Speedup = =3.57第2章指令系统 一、一种浮点数表示方式的精度不低于10－19,能表示的最大的正数不小于104000,而且正负数对称。尾数用原码小数表示，阶码用移码整数表示，尾数和阶码的基值都是2。设计这种浮点数的格式。【答案】1位 1 位 14位 64位符号阶符 阶码 尾数二、设计8位字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围-127~+127之间。设计指令格式，给出各字段的长度和操作码。【答案】 寄存器-寄存器型指令3条，格式如下：| 操作码2位| 源寄存器3位| 目的寄存器3位|操作码分别为：00.01.10寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条,格式如下：| 操作码4位| 通用寄存器3位| 变址寄存器1位|偏移地址8位|操作码分别为：1100.1101.1110.1111三、某工作站采用时钟频率 f 为 15MHz，处理速率为 10MIPS 的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为 1 周期延迟。如果假定将处理机的时钟频率 f 提高到30MHz，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟周期，如果30％指令每条只需要一次存储存取，而另外 5% 每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。【答案】如题所述，30％的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加一个时钟周期；同样，另外5％的指令需要增加两个时钟周期。CPInew = （改进前执行混合程序的所需时钟周期数 + 30%×1×指令数 + 5%×2×指令数) / 指令数 = 改进前有效CPI + 30%×1 + 5%×2= 1.5 + 0.3 + 0.1= 1.9处理速率MIPS= fnew / (CPInew×106) = 30×106/(1.9×106) = 15.79 MIPS假设混合程序的指令数为IC, 则有可见, 改进后工作站性能提高了。四、试解释指令系统的编译器技术、CPU实现和控制、高速缓存和存储器层次结构如何影响CPU性能，并根据程序长度、时钟速率和有效CPI来说明其影响。 【答案】CPU的性能取决于三个方面：时钟频率、每条指令所花的时钟周期数和指令的条数。CPU时间=（IC×CPI）/时钟频率指令系统越丰富则对相同的程序，产生的指令数就越少，即减少IC的总数，从而减少CPU时间，提高CPU的性能。同样编译技术越先进，可减少产生多余的指令，减少指令的条数，从而提高CPU的性能 。时钟速度高即时钟的频率高，由上式显然提高CPU的性能。CPU实现和控制，高速缓存和存储器的层次结构都能影响 CPI的值。从而影响 CPU的性能。  五、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？ 【答案】（1）1e6*80%*1+1e6*20%*14=36e6（2）0.48s0.36s（3）1.33 计算机系统结构作业4答案第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；网络通信时延。【答案】1. 互连网络：由开关元件按一定拓扑结构和控制方式构成的网络以实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件间的相互连接2. 静态互连网络：各结点间有专用连接通路且运行中不能改变的网络3. 动态互连网络：设置有源开关，可以根据需要借助控制信号对连接通路加以重新组合实现所要求通信模式的网络。4. 结点度：与节点相连接的边（即链路或通道）数。5. 网络直径：网络中任意两个结点之间距离的最大值。6. 选播：一个源结点向多个目的结点发送消息；7. 广播：一个源结点向所有结点发送消息；8. 网络通信时延：在一定条件下发送消息的平均时延第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；寻径功能。【答案】1. 空间并行：拥有多套执行部件；2. 时间并行：通过流水线使执行时间重叠；3. 共享式存储器：各处理单元共享一个存储器；4. 分布式存储器：各处理单元分别拥有自己的私有存储器；5. 寻径功能：处理单元之间连接通路的寻址方式二、SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的异同【答案】SIMD计算机和向量计算机的相同点是两种计算机都能对大量数据进行向量处理，特别适用于高速数值计算。不同点是SIMD计算机获得高处理速度主要原因是采用资源重复的并行措施，多个处理单元并行工作，向量计算机依靠的是多功能流水线部件时间重叠提高速度；另一区别是SIMD计算机有它的互联网络。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。【答案】SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的相同点都存在互联网络。不同点式在共享内存方案中，共享的多体并行存储器通过对准网络与各处理单元相连。在分布内存方案中，每个处理单元有自己的本地存储器，处理单元有自己的本地存储器，处理单元之间的数据通过数据寻径网络完成。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；Cache一致性。【答案】1. 共享式共享多处理机：通过大容量的cache和总线互联使各处理机共享个单独的集中式存储器的多处理机。2. 分布式共享多处理机：采用非集中式，存储器分布到各个处理机上的多处理机3. SMP称为共享存储型多处理机，也成为对称型多处理机4. S2MP称为可扩展共享存储多处理机5. MPP称为大规模并行处理机6. Cache一致性：并行处理机系统中私有Cache会引起Cache内容相互之间以及与共享存储器之间互不相同的问题。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？【答案】特点：1. 结构灵活2. 程序并行性3. 并行任务派生4. 进程同步5. 资源分配和进程调度目的：利用多台处理机并行的执行一个作业，使得执行速度加快。有时候其主要目的不是高性能而是高可靠性。主要技术问题包括连接模式、频带和路径选择等。三、何谓大规模并行处理机？它的主要特点是什么？【答案】大规模并行处理机的定义随着时间的推移不断变化。按照当前的标准，具有几百或几千台处理机的任何机器都是大规模并行处理系统。其主要特点是进行大规模并行处理，使用超大规模集成电路技术、高密度组装和光技术、采用可扩展技术、共享虚拟存储技术、多线程技术的系统机构。四、何谓SMP？它的主要特点是什么？【答案】SMP称为共享存储型多处理机，也成为对称型多处理机。SMP的物理存储器为所有处理单元所共享，具有统一的寻址空间，程序员不必参与数据分布和传输。五、何谓机群系统？它的主要特点是什么？【答案】机群系统是利用高速通用网络将一组高性能工作站或高档PC机，按某种结构连接起来，并再并行程序设计以及可视化人机交互集成开发环境支持下，统一调度，协调处理，实现高效并行处理的系统。特点：1. 系统开发周期短2. 用户投资风险小3. 系统价格低4. 节约系统资源5. 系统扩展性好 6. 用户编程方便

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