一、填空題（將下列各題正確的答案填入下面的括號中，每空1分，共20分。）

1.Flynn分類法是按指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為（SISD

單指令流單數(shù)據(jù)流）、（SIMD單指令流多數(shù)據(jù)流）、（MISD多指令

流單數(shù)據(jù)流）、（MIMD多指令流多數(shù)據(jù)流）四類。

2.流水線沖突有三種類型：（結(jié)構(gòu)沖突）、（數(shù)據(jù)沖突）、

（控制沖突）。

3.衡量流水線性能的主要技術(shù)指標(biāo)是（吞吐量）、（加速比）

和（效率）9

4.從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標(biāo)是：（容量）、（速

度）和（價格）。

5.對向量的處理有（水平處理）、（垂直處理）和（分

組處理）三種方式。

6.Cache的地址映象規(guī)則有三種:（直接映象）、（組相連映象）和

全相連映象），其中（全相連映象）的沖突率最低。

二、名詞解釋（每詞3分，共15分）

1.程序局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機的，而是相對地簇聚。

程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過的數(shù)據(jù)和指令。

2.相關(guān)：兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。如果兩條指令相關(guān)，則它們就有可能不能在流

水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重:疊執(zhí)行。

3.TLB：地址變換緩沖器，是一個專用的高速緩沖器，用于存放近期經(jīng)常使用的頁表項，其

內(nèi)容是頁表部分內(nèi)容的一個副本。

4.通道處理機：能夠執(zhí)行有限I/O指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處

理機。

5.動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：根據(jù)需要設(shè)置互連網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)，從而對結(jié)點之間的連接通路進(jìn)行重新

組合，實現(xiàn)所要求的通信模式。

三、問答題（每題5分，共25分）

1.從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)層次按功能劃分哪兒級結(jié)構(gòu)？

第6級

第5級

第4級

第3級

第2級

第1級

2.簡述RISC的優(yōu)缺點。

答：優(yōu)點：（1）簡化了指令系統(tǒng)的設(shè)計，適合VLSI的實現(xiàn)。

（2）提高了機器的執(zhí)行速度和效率。

（3）降低了設(shè)計成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（4）可直接支持高級語言的實現(xiàn)，簡化了編譯程序的設(shè)計。

缺點：（1）由于指令少，使原在CISI上的單一指令完成的某些復(fù)雜功能現(xiàn)在要用多條RISC

指令才能完成，加重了匯編語言程序的設(shè)計。

（2）對浮點運算執(zhí)行和虛擬存儲器的支持雖有很大加強，但仍顯得不足。

（3）RISC機器的編譯程序比CISC的難寫。

3.在存儲層次M，替換更法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點？

答：（1）隨機法：簡單、易于用硬件實現(xiàn)，但這種方法沒有考慮Cache塊過去被使用的情況，

反映不了程序的局部性，所以其失效率比LRU的高。

（2）先進(jìn)先出法：容易實現(xiàn)。它雖然利用了同一空中各塊進(jìn)入Cache的順序這一“歷

史”信息，但還是不能正確地反映程序的局部性。

（3）最近最少使用法LRU：失效率最低.但是LRU比較復(fù)雜，硬件實現(xiàn)比較困難，

4.寫策略主要有哪兩種？它們各有什么優(yōu)點？

答：（1）寫直達(dá)法：易于實現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的。

（2）寫回法：速度快，寫操作能以Cache存儲器的速度進(jìn)行。而且對于同一單元的多

個寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達(dá)Cache,不到達(dá)主存，因而所使用

的存儲器頻帶較低。

5.何謂多處理機的Cache一致性問題，并簡述出現(xiàn)這種問題的原因。

答:在多處理機系統(tǒng)中的私有Cache會引起Cache中的內(nèi)容相互之間以及共享存儲器之間

互不相同的問題，稱為多處理機的Cache一致性問題。出現(xiàn)Cache一致性問題的原因主要

有如下兩點：

（1）Cache的引進(jìn)對I/0操作產(chǎn)生了一致性問題，因為Cache中的內(nèi)容可能與由I/0

子系統(tǒng)輸入輸出形成的存儲器對應(yīng)部分的內(nèi)容不同。BP：I/O傳輸所造成的數(shù)據(jù)不一致性。

（2）時共享數(shù)據(jù)，不同處理器的Cache都保存有本?應(yīng)存儲器單元的內(nèi)容，因而在操作

中就可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致。即：共享可寫數(shù)據(jù)引起的不一致性。

四、計算題（共25分）

1.（12分）假設(shè)系統(tǒng)某一部件的處理速度加快9倍，但該部件的原處理時間僅為整個運

行時間的45%,則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？如果部件改進(jìn)后獲得的

加速比變?yōu)镾F5.5,問改進(jìn)前的執(zhí)行時間占改進(jìn)后的百分比是多少？

答：

（1）由題意可知，F(xiàn)e=0.45,Sc=9,代入公式：

_21_]

sP

-Tn-d-Fc）+Fc/Sc

=-------------=---=1.56

0.55+0.45/90.64

（2）根據(jù)題意有

由此可得Fe=91%

2.（13分）已知一個Cache共有4個塊，每個塊大小為4個字。采用直接映像方式，假設(shè)

該Cache的缺失代價為8個時鐘周期。初始時Cache為空，當(dāng)程序執(zhí)行過程中訪存的字地址

序列為0,7,12,9,16,8,17,0,12,2時,

（1）試計算Cache的命中率。

（2）計算Cache缺失（不命中）代價。

答：

字地址流進(jìn)入cache時工作情況：

時間123456789

字地址流07129168170122

塊。0030161617002

塊1—777777777

塊2———9988888

塊3——1212121212121212

裝裝裝裝替替替替命替

入入入入換換換換中換

在上表中,共有10個時刻,只有時刻9命中，所以命中率1/10=10%

⑵缺失代價=9X8=72個時鐘周期

五、敘述題（15分）

試從多角度簡述Cache存儲系統(tǒng)層次與虛擬存儲系統(tǒng)層次的區(qū)別。

存6金汾、

“Cache-主存”層次“主存-輔存”層次

比較項目、\

為了彌補主存速度為了彌補主存容量的

目的

的不足不足

全部由專用硬件實

存儲管理的實現(xiàn)主要由軟件實現(xiàn)

現(xiàn)

訪問速度的比值

（第一級比第二幾比一幾萬比一

級）

典型的塊（頁）大

幾十個字節(jié)幾百到幾千個字節(jié)

小

CPU對第一級的

可直接訪問均通過第一級

訪問方式

不命中時CPU是

不切換切換到其他進(jìn)程

否切換

一、填空題（將下列各題正確的答案填入下面的括號中，每空1分，共20分。）

1.計算機系統(tǒng)設(shè)計的3條基本規(guī)則：（以經(jīng)常性事件為重點）、

（Amdahl定律）和（程序的局部性原理）。

2.從執(zhí)行程序的角度看，計算機系統(tǒng)的并行性等級可以分為：（指令內(nèi)部并

行）、（指令集并行）、（線程級并行）、任務(wù)級或過程級

并行和（作業(yè)或程序級并行）o

3.流水線中相關(guān)有三種類型：（數(shù)據(jù)相關(guān)）、（名相關(guān)）、

（控制相關(guān)）。

4.在存儲層次中，常用的替換算法有（隨機法）、（先進(jìn)先出法）

和（最近最少使用法）o

5.軟件兼容有（向上兼容）、（向下兼容）、（向

前兼容）、（向后兼容）四種。其中，（向后兼容）是軟

件兼容的根本特征。

6.陣列處理機的基本結(jié)構(gòu)可分為（分布式存儲器）陣列機和（共

享式存儲器）的陣列機兩大類。

二、名詞解釋（每詞3分，共15分）

1.Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比,受限于該部件的執(zhí)行時

間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時間的百分比。

2.流水線沖突：指對于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令

不能在指定的時鐘周期執(zhí)行。

3.組相聯(lián)映象：當(dāng)把一個塊從主存調(diào)入Cache時，它可以被放置到Cache中唯一的一個組

中的任何一個位置（Cache被等分為若干組，每組由若干個塊構(gòu)成）。

4.寫回法：執(zhí)行“寫”操作時，只寫入Cache。僅當(dāng)Cache中相應(yīng)的塊被替換時，才寫回

主存。

5.互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：一種由開關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)計算

機系統(tǒng)中結(jié)點之間的相互連接。這些結(jié)點可以是處理器、存儲模塊或其他設(shè)備。

三、問答題（每題5分，共25分）

1.列舉計算機系統(tǒng)中提高并行性的三種技術(shù)途徑，并簡單介紹。

答：（1）時間重疊。多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一?套硬件設(shè)備的各

個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。

（2）資源重復(fù)。通過重及設(shè)置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。

（3）資源共享。這是一種軟件方法，它使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬

件設(shè)備。

2.簡要描述流水技術(shù)有哪些特點。

答：（1）流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個過程稱為流水線的“級”或“段

（2）每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)。

（3）各個功能段所需時間應(yīng)盡量相等。

（4）流水線需要有“通過時間”，在此之后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘

周期（拍）流出一個結(jié)果。

（5）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時序過程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線

的效率才能充分發(fā)揮。

3.通道分為哪三種類型？它們分別適合為哪種外圍設(shè)備服務(wù)？

答：（1）字節(jié)多路通道：一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。

（2）數(shù)組多路通道：適于為高速設(shè)備服務(wù)。

（3）選擇通道：為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。

4.實現(xiàn)Cache一致性協(xié)議時，有哪兩種跟蹤共享數(shù)據(jù)狀態(tài)的技術(shù)？并簡要描述。

答：（1）目錄:物理存儲器中共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)及相關(guān)信息均被保存在一個稱為目錄的地方。

（2）監(jiān)聽：每個Cache除了包含物理存儲器中塊的數(shù)據(jù)副本之外，也保存著各個塊的

共享狀態(tài)信息。Cache通常連在共享存儲器的總線上，各個Cache控制器通過監(jiān)聽總線來判

斷它們是否有總線上請求的數(shù)據(jù)塊。

5.簡述機群系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

答：優(yōu)點有：

（1）系統(tǒng)開發(fā)周期短。

（2）可靠性高。

（3）可擴縮性強。

（4）性能價格比高。

（5）用戶編程方便。

（6）系統(tǒng)擴展性好

缺點是：由于機群由多臺完整的計算機組成，它的維護(hù)相當(dāng)于要同時去管理多個計算機

系統(tǒng)，因此維護(hù)工作量較大，維護(hù)費用也較高。

四、計算題（共25分）

1.（12分）假設(shè)使用100臺多處理機系統(tǒng)獲得加速比8。，求原計算程序中串行部分所占的

比例是多少？

答：

設(shè)加速比為k,可加速部分比例為R,理論加速比為Sc，根據(jù)Amdahl定律：

（］-Fe）+Fe/Se

為了簡單化，假設(shè)程序只在兩種模式下運作：（1）使用所有處理機的并行模式；（2）

只用一個處理機的串行模式。假設(shè)并行模式下的理論加速比Sc即為多處理機的臺數(shù)，加速

部分的比例Fe即并行部分所占的比例，代入上式有：

(1-4)+1，/100

求得并行比例Fe=0.9975=99.75%

2.（13分）用一臺40MHz處理機執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時鐘

周期數(shù)如下：

指令類指令數(shù)時鐘周期數(shù)

型

整數(shù)運算450001

數(shù)據(jù)傳送320002

浮點150002

控制傳送80002

求有效CPLMIPS速率和程序的執(zhí)行時間。

答:

2-1

=(45000*1+32000*2+15000*2+8000*2)/(45000+32000+15000+8000)

=1.55—

速率第g=//(CPZ*10*)=40*107(1.55*10*)=25.81MIPS。

程序的執(zhí)行時間為：

t=(45000*1+32000*2+15000*2+8000*2)*(40*10')

3.875*1尸秒

五、敘述題（15分）

在存儲層次中，分別從降低失效率、減少失效開銷、減少命中時間三個方面共列舉了17種

用以改進(jìn)Cache的性能的優(yōu)化技術(shù)，試從每個方面選擇兩個優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行簡述。

答：降低Cache失效率：

增加Cache塊大小、提高相聯(lián)度、增加Cache的容量、VictimCache＞偽相聯(lián)Cache、

硬件預(yù)取技術(shù)、由編譯器控制的預(yù)取、編譯器優(yōu)化。

減少Cache失效開銷：

讓讀失效優(yōu)先于寫、寫緩沖合并、請求字處理技術(shù)、非阻塞Cache或非鎖定Cache技

術(shù)、采用二級Cache。

減少Cache命中時間：

容量小且結(jié)構(gòu)簡單的Cache、虛擬Cache、TraceCache、Cache訪問流水化。

一、填空題（將下列各題正確的答案填入下面的括號中，每空1分，共20分。）

1.計算機系統(tǒng)提高并行性的技術(shù)途徑有3個途徑：（時間重疊timeinterleaving）、

資源重復(fù)resourcereplication）、（資源共享resourcesharing)o

2.根據(jù)指令對寄存器的讀寫順序，可將數(shù)據(jù)相關(guān)分為三種，分別是（寫后讀WR）、

讀后寫RW寫后寫RR)o

3.通道分為（字節(jié)多路）通道、（選擇）通道和（數(shù)組多路)

通道三種類型。

4.Cache失效的3c是指（強制性失效Compulsorymiss)、(容量失效

Capacitymiss）和（沖突失效Conflictmiss)。

5.指令調(diào)度有兩種類型：（動態(tài)調(diào)度）和（靜態(tài)調(diào)度)o

6.多處理機系統(tǒng)中為了解決Cache不一致性問題，提出了（監(jiān)聽）協(xié)議和

(目錄表）協(xié)議，它們適合于不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

7.設(shè)計I/O系統(tǒng)的三個標(biāo)準(zhǔn)是（可靠性relicibility)、(可用性

availability）和（可信性dependability

二、名詞解釋（每詞3分，共15分）

1.CPI：大多數(shù)的時鐘速度是固定的，它的運行周期稱為時鐘周期,而每條指令的平均時鐘

周期數(shù)即為CPU

2.寫直達(dá)法：執(zhí)行“寫”操作時，不僅寫入Cache,而且也寫入下一級存儲器中相應(yīng)的塊。

3.機群：機群是一種價格低廉、易于構(gòu)建、可擴放性極強的并行計算機系統(tǒng)。它由多臺同

構(gòu)或異構(gòu)的獨立計算機通過高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)互連在一起，協(xié)同完成特定的并行計算任務(wù)。

從用戶的角度來看，機群就是一個單一、集中的計算資源。

4.S.MT：同時多線程技術(shù)，簡稱SMT。它是一種在多流出、動態(tài)調(diào)度的處理器上同時開發(fā)線

程級并行和指令級并行的技術(shù)，是對多線程技術(shù)的一種改進(jìn)。

5.異步消息傳遞：發(fā)送方不經(jīng)請求就直接把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)接收方。

三、問答題（每題5分，共25分）

1.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？并簡要描述。

答：（1）以經(jīng)常性事件為重點：對于大概率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資

源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。

（2）Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系

統(tǒng)中所占的重要性。

（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇

聚。

2.流水線沖突有哪幾種？并簡要描述。

答：流水線沖突有以下3種類型：

（1）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令,重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。

（2）數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)

生的沖突。

（3）控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。

3.按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡要描述互連網(wǎng)絡(luò)分為哪兩類？

答：有靜態(tài)和動態(tài)兩種。

靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在各結(jié)點之間有專用的連接通路，且在運行過程中不能改變。

動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可根據(jù)需要設(shè)置互連網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)，從而對結(jié)點之間的連接通路進(jìn)行

重新組合，實現(xiàn)所要求的通信模式。

4.地址映像方法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點？

答：（1）全相聯(lián)映像。實現(xiàn)查找的機制復(fù)雜，代價高，速度慢。Cache空間的利用率較高，

塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。

（2）更接映像。實現(xiàn)查找的機制簡單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概

率較高，因而Cache的失效率也高。

（3）組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)的一種折中。

5.按設(shè)備定時方式分類，總線可分為哪兩類？它們各有何特點？

答：（1）同步總線。同步總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步。同步總線速度

快，成本低，因為它不需要設(shè)備之間互相確定時序的邏車工但缺點是，總線操作必須以相同

的速度運行。

（2）異步總線。異步總線上的設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時。設(shè)

備之間的信息傳送用總線發(fā)送器和接收器控制。異步總線容易適應(yīng)更廣泛的設(shè)備類型，擴充

總線時不用擔(dān)心時鐘時序和時鐘同步問題。但在傳輸時，異步總線采用握手協(xié)議，因此需要

額外的同步開銷。

四、計算題（共25分）

1.（12分）假定要將某一執(zhí)行部件改進(jìn)后速度提高10倍，