华科专升本计算机系统结构-作业全

第一章作业简答题1、简述什么是计算机系统结构。答：计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能性结构。2、计算机系统的层次从下到上包括哪些？答：计算机系统的层次从上到下包括微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机、应用语言虚拟机。3、Flynn分类法是以什么对计算机系统进行分类？分成哪几类？答：Flynn分类法是以指令流和数据流的多倍性对计算机系统进行分类。Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下4类：单指令流单数据流、单指令多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流。4、简述Amdahl定律及加速比计算公式。答：Amdahl定律指出加快某部件执行速度所能获取得系统性加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。加速比计算公式=系统性能（改进后）/系统性能（改进前）=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）计算题5、如果某一些计算任务用向量方式求解比用标量方式求解快20倍。为达到加速比2，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比为多少？解：由题可知，系统加速比=2，部件加速比=20，通过向量方式求解可改进比例未知，可设为X。根据Amdahl定律可知系统加速比=1/[(1-X)+X/20]=2求解得X=10/19由此可得，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比魏53%第二章作业1、简述指令集结构设计的基本原则。完整性、规整性、高效性和兼容性2、简述RISC结构的设计原则。1）选取使用频率最高的指令，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、一个处理机共有10条指令，各指令在程序中出现的概率如下：I10.25I60.08I20.20I70.05I30.15I80.04I40.10I90.03I50.08I100.02(1)采用最优Huffman编码法，计算这10条指令的操作码最短平均长度。(2)采用Huffman编码法，计算这10条指令的操作码平均码长，信息冗余量。1）操作码最短平均长度=2.962）信息冗余量=1.0%第三章作业1、当流水线中各个流水段的执行时间不完全相等时，流水线的最大吞吐率与实际吞吐率主要是由流水线中执行时间最长的那个流水段来决定的，这个流水段就成了整个流水线的“瓶颈”。解决流水线“瓶颈”问题的方法主要有哪两种？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段两种方法。2一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。流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设有足够的缓冲及寄存器。用这条流水线计算61iiiBAF。(1)画出流水线时空图;(2)计算流水线的实际吞吐率，加速比和效率。解：为了避免流水线的“先写后读”相关，使流水线完成计算的时间尽可能短，采用下述方法计算F：（a1xb1+a2xb2）+（a3xb3+a4xb4）+（a5xb5+a6xb6）按先乘后加、先括号内后括号外的有限次序，上述计算F的过程需要先做6次乘法，用1~6表示；再做3个括号内的3次加法，用7~9表示；最后做括号外的2次加法，用10~11表示。流水线时空图如下：由时空图可得实际吞吐率为：TP=11/22∆t=0.5/∆t加速比为：S=T0/Tk=（6x4∆t+5x4∆t）/22∆t=2效率比：E=（4x11∆t）/（6x224x11∆t）≈0.333、一条由4个功能段组成的非线性流水线的预约表如下，每个功能段的延迟时间都为10ns（1ns=10-9秒）。功能段时间123456S1XXS2XXS3XS4XX(1)写出流水线的禁止向量和初始冲突向量；(2)画出状态图；(3)求流水线的最小启动循环和最小平均启动距离。1）禁止向量F=(5,2,1),冲突向量C=(10011)2）3)最小启动循环为（3），最小平均启动距离为3.第4章作业Cray1向量处理机，V为向量寄存器，向量长度均为32；s为标量寄存器。所用浮点功能执行部件的执行时间为：从存储器读数6拍，加法6拍，相乘7拍，求倒数近似值14拍，启动、输出延迟各1拍。分析下列向量指令组中，哪些指令可以链接，哪些指令可以并行，并计算不同指令各指令组全部完成所需的拍数。(1)V0←存储器(2)V2←V0*V1V1←V2+V3V3←存储器V4←V5*V6V4←V2+V3(3)V0←存储器(4)V0←存储器V3←V1+V2V1←1/V0V4←V0*V3V3←V1+V2V6←V4+V5V5←V3*V4解：1）V0←存储器V1←V2+V3并行V4←V5*V610011C0i=4i=3i≥6931访存加乘总拍数=40（并行执行，以最长指令为准）2）V2←V0*V1并行V3←存储器V4←V2+V3串行总拍数=79（第3条错过时机，不能链接）3）V0←存储器并行V3←V1+V2链接V4←V0*V3V6←V4+V5串行4）V0←存储器链接V1←1/V0链接V3←V1+V2V5←V3*V4链接931乘访存加831第5章作业一、单选题1.与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（D）A.页地址流B.页面调度策略C.主存的容D.辅存的容量2.下列说法不正确的是（D）A.单体多字存储器能提高存储器频宽B.多体存储器低位交叉编址能提高存储器频宽C.多体存储器高位交叉编址便于扩大存储器容量D.多体存储器高位交叉编址能提高存储器频宽3.直接存储器访问方式的并行性指的是（D）A.多个外设可同时并行地通过DMA控制器进行数据传送B.外设主存储器并行工作C.CPU和主存器并行工作D.CPU和DMA控制器并行工作4.Cache存储器主要是为了解决（B）A.扩大存储系统的容量B.提高存储系统的速度C.扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度D.便于程序的访存操作5.组相联映象，LRU替换的Cache存储器，不影响Cache命中率的是（C）A.增加Cache中的块数B.增大组的大小C.增大主存容量D.增大块的大小二、计算题设有一道程序，有1至5共五页，执行时的页地址流（即执行时依次用到的程序页页号）为：2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2若分配给该道程序的主存有3页，分别采用FIFO，LRU和最优替换算法。画出这3页的使用和替换过程，并计算命中率。解：FIFO算法：替换最早装入主存的页；LRU算法：依据各块使用的情况，选择最近最少使用的块替换。第6章作业1、简述评价I/O系统性能的主要参数。评价I/O系统性能的参数主要有连接特性、I/O系统容量、响应时间和吞吐量。2、解释I/O系统的可靠性、可用性和可信性及其衡量指标。可靠性：系统从初始状态开始一直提供服务的呢能力。可用性：系统正常工作时间再连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。可信性：服务的质量，即再多大程度上可以合理地认为服务是可靠的。衡量指标：平均故障间隔时间MTBF、故障率（FailureRate）、平均修复时间（MTTR.）3、简述三种通道的类型及其工作方式。按通道的工作方式，通道分为选择通道、字节多路通道和数组多路通道三种类型。1）字节多路通道：通道每连接一台外围设备，只传送一个字节，然后又与另一台设备连接，并传送一个字节。2）数组多路通道：通道每连接一台外围设备，传送一个数据块，传送完成后，又与另一台高速设备连接，再传送一个数据块。3）选择通道：通道每连接一个外围设备，就把这个设备的多有待传字节全部传送完毕，然后再与另一台设备相连接。4）4、一个字节多路通道连接有6台设备，它们的数传率（单位：B/ms）如下表所示：设备名称D1D2D3D4D5D6数传率505040252510(1)计算该通道的实际工作流量（单位：B/ms）。(2)若通道的最大流量等于实际工作流量，求通道的工作周期sDTT。第7章作业1.设16个处理器编号分别为0，1，…，15，要用单级互连网络。当互连函数分别为（1）Cube3（2）PM2+3（3）PM2-0（4）Shuffle（5）Shuffle（Shuffle）时，指出第13号处理器与哪个处理器连接。答：1）52）53）124）145）132.(1)画出8个处理单元（编号0～7）互连的3级Omega网络。(2)采用终端标记寻径法（即用被要求连接的网络终端号D的二进制为di来决定开关级Ki的相应开关输入端与该开关的哪一个输出端连接：若di=0，则与开关的上输出端连接；若di=1，则与开关的下输出端连接），标出使5号处理单元的数据播送给0，2，4，6号处理单元，同时，4号播送给1，3，5，7号处理单元时各开关的状态。综合作业1第一次综合作业一、单选题1.计算机系统多级层次中，从上层到下层，各级相对顺序正确的应当是（B）.A.高级语言机器级，汇编语言机器级，微程序机器级B.微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级C.传统机器语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级D.汇编语言机器级，应用语言机器级，高级语言机器级2.系列机在软件兼容上应做到（B）.A.向前兼容，并向上兼容B.向后兼容，力争向上兼容C.向前兼容，并向下兼容D.向后兼容，力争向下兼容3.操作码优化的主要目的是（D）A.缩短指令字长B.减少程序总位数C.增加指令字表示的信息D.ABC都是4.软件和硬件在（A）意义上是等效的。A.系统结构B.功能C.性能D.价格5.RISC执行程序的速度比CISC要快的原因是（C）A.RISC的指令系统中指令条数较少B.程序在RISC上编译生成的目标程序较短C.RISC的指令平均执行周期数较少D.RISC只允许load和store指令访存二、计算题用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应的时钟周期数如下：指令类型指令数时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点150002控制传送80002计算：(1)有效CPI(2)MIPS(3)程序的执行时间T综合作业2第2次综合作业（3-5章）一、单选题1.下列关于虚拟存储器的说法，错误的是（A）.A.对应用程序员透明，对系统程序员不透明B.其目的主要是为了增加存储系统的容量C.由cache和主存组成D.其访问速度与主存接近2.静态流水线是指（B）.A.功能不能改变的流水线B.同时只能完成一种功能的多功能流水线C.可同时执行多种功能的流水线D.各功能段之间的连接固定不变的流水线3.不属于堆栈型算法的是（C）.A.LRUB.LFUC.FIFOD.最优替换算法4.设通道数据传送过程中，选择一次设备的时间为sT，传送一个字节的时间为DT，则字节多路通道最大流量等于（D）.A.DTB.sDTTC.1DTD.DsTT15.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为t、t2和t3，顺序执行10条指令至少需要花费的时间为（C）A.30tB.20tC.60tD.10t二.四段单功能流水线，各个功能段执行时间相等，均为t，求输入到流水线中的任务是连续的理想情况下完成10个任务时的吞吐率。综合作业3第三次综合作业一、单选题1.流水线分类中，“线性流水”和“非线性流水”是按照（C）进行分类的。A.处理机级别B.功能C.工作方式D.连接方式2.若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（A）A.可获得高的吞吐率和效率B.流水线的效率和吞吐率恶化C.出现瓶颈D.可靠性提高3.通道方式输入输出系统中，对优先级高的磁盘等高速设备，适合于连接(B)A.字节多路通道B.选择通道C.数组多路通道D.字节及数组多路通道4.Omega网络采用的是（C）A.二功能2×2开关，单元控制方式B.二功能2×2开关，级控制方式C.四功能2×2开关，单元控制方式D.四功能2×2开关，级控制方式5.关于Cray1中下列两条向量指令说法正确的是（B）V1←V2+V3V4←V1*V5A.没有功能部件