《计算机系统结构》练习题B
一、简要回答下列各题
1、软件和硬件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？ 2、透明性的概念？系列机的概念？
3、列举流水线的3种相关及2种解决办法。
4、列举Cache-Memory存储层次中2种写策略方法、2种写分配方法。 5、列举3种通道类型
二、选择题（请选择一个最为准确的答案 ）
1、计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为（ ）。
A、高级语言机器级、汇编语言机器级、传统机器语言机器级、操作系统机器级、应用语言机器级、微程序机器级
B、高级语言机器级、应用语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级、微程序机器级
C、应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、微程序机器级
D、应用语言机器级、操作系统机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、微程序机器级、传统机器语言机器级
2、计算机系统结构设计时遵循三个软硬件取舍原则，但（ ）不在原则之中。 A、系统在现有硬件条件下有高的性能价格比 B、不要限制组成和实现技术的采用 C、为软件设计提供更多更好的硬件支持 D、尽量发挥软件的优势
3、指令系统的改进以不删除原有指令系统为前提，通过增加少量强功能新指令代替常用指令串，保证了软件（ ），提高了编程效率。
A、向前兼容 B、向后兼容 C、向上兼容 D、向下兼容 4、I/O的系统结构直接影响计算机系统的性能，包括主存、CPU利用率、（ ）、I/O速度和系统的兼容性等。
A、指令执行速度 B、I/O设备容量 C、系统总线 D、系统吞吐量 5、衡量一个存储器性能可从（ ）方面考虑。
A、容量、速度、价格 B、制造工艺、封装、材料 C、容量、速度、功耗 D、Cache-主存存储层次、主存-辅存存储层次、辅存-磁带存储层次 6. 多处理机实现的并行主要是（ ）。 A．任务级并行 B．指令级并行 C．线程级并行 D．操作级并行
7. 多功能流水线的特征是（ ）。
A．一次运算中使用流水线中的多个段。
B．流水线的各个功能段在不同运算中可以有不同的连接。 C．一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段。 D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同。 8. 与线性流水线最大吞吐率有关的是（ ）。 A．各个功能段的执行时间。 B．最快的那一段的执行时间。 C．最后功能段的执行时间。
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D．最慢那一段的执行时间。
9. 与全相联映像相比，组相联映像的优点是（ ）。 A．块冲突概率低 B．目录表小 C．命中率高 D．主存利用率高
10. 当计算机系统通过执行通道程序完成输入输出工作时，执行通道程序的是（ ）。 A．CPU
B．CPU和通道 C．通道
D．指定的外设
利用时间重叠原理实现并行处理的是（ ）。 A．流水处理机 B．多处理机 C．阵列处理机 D．机群系统
2. 非线性流水线的特征是（ ）。
A. 一次运算中使用流水线中的多个段
B. 一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段
C．流水线的各个功能段在不同运算中可以有不同的连接 D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同
3. 在具有加、乘法双功能的静态流水线中，功能切换的时间是在（ ） A. 前一个功能的第一个任务进入流水线后 B. 前一个功能的第一个任务流出流水线后 C. 前一个功能的最后一个任务进入流水线后 D. 前一个功能的最后一个任务流出流水线后
4. 容量和块大小均相同的Cache，块冲突概率由高到低的顺序是（ ）。 A. 全相联映像、直接映像、组相联映像 B. 直接映像、组相联映像、全相联映像 C. 全相联映像、组相联映像、直接映像 D. 组相联映像、直接映像、全相联映像 5. 磁盘存储器适合于连接到（ ）。 A. 字节多路通道或者选择通道 B. 字节多路通道或数组多路通道 C. 选择通道或数组多路通道 D. 任意一种通道
三、填空题
1、计算机组成指的是计算机系统结构的 ，计算机实现指的是计算机组成的 。 2、各机器级的实现主要靠 或 ，或者是这两者的结合。 3、程序的局部性包括 两个方面。
4、CISC的设计途径是增强 的功能以及设置更为复杂的 取代原先由软件子第 2 页 共 3 页
程序完成的功能，实现 的硬化；RISC的设计途径是通过 和 来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。
5、在全相联映像、直接映像和组相联映像中，块冲突最小的是 。Cache存储器的地址映像规则一般不能用 ，否则，主存Cache的地址映像表太大，查表速度太慢，硬件难以实现。
6、存储系统组织结构通常包括 、 、 等3种存储结构。 7、衡量流水线的主要性能指标是 和 。N个子过程组成的流水线中，其结果的输出速度取决于处理时间 的子过程。
四、若一个动态浮点乘法流水线（如下图所示），每个功能段的时间均为?t，其乘积可直接返回输入
端或暂存于相应缓存器中。请画出实现A?B?C?D的时空图，并求出该流水线的吞吐率TP、加速比SP和效率E。
输入 阶 加 尾数乘 规格化 积 五、设某个字节多路通道的设备选择时间Ts为9.8μs，传送一个字节的数据所需的时间TD为0.2μs。若某种低速外设每隔500μs发出一次传送请求， 请问：（1）该通道最多可连接多少台这种外设？
另有一通道，数据传送期间，选择一次设备为1μs，传送一个字节也需要1μs。现采用数组多路通道，定长块为512B，要挂接的各设备要求传送信息的工作速率如下表，求：
（2）数组多路通道工作的极限流量是多少？
（3）哪些设备可挂接此数组多路通道上？为什么？ 设备号 D1 D2 480 D3 200 D4 D5 D6 D7 28 D8 20 工作速率（kB/s） 1000 150 100 80
六、有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时
1 △t 加法 2△t △t △t 2 △t 3 乘法 4 5 间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算 ，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速?(Ai?Bi)i?14比和效率。
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七、设cache共有16个数据块，每块大小为8B,主存共有128个数据块，请给出直接映像、2路组
相联映像、4路组相联映像和全相联映像时的访存地址格 式的具体形式并给出分析过程。
标识 索引 块内位移 《计算机系统结构》练习题B答案
一．简要回答下列各题
1．软件和硬件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？
（1）等效性：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，即软件的功能可用硬件或固件完成；硬件的功
能也可用软件模拟完成。
（2）不等效性：软件和硬件实现的性能价格比不同，实现的难易程度不同。 2．透明性的概念？系列机的概念？
透明性是指某一事物或属性实际存在，但从某种角度来看好象不存在，或者说看不出来。 系列机是指具有相同体系结构、但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 3．列举流水线的3种相关及2种解决办法。 结构相关：P86 数据相关：P86 控制相关：P86
气泡（延迟）法，直接通路（定向）法
4．列举Cache-Memory存储层次中2种写策略方法、2种写分配方法。 写直达法：P183 写回法：P183 按写分配法：P183 不按写分配法：P183 5．列举3种通道类型 字节多路通道：P269 数组多路通道：P269 选择通道：P269
二．选择题（请选择一个最为准确的答案）
1. 计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为 （C） 。
A．高级语言机器级，汇编语言机器级，传统机器语言机器级，操作系统机器级，应用语言机器
级，微程序机器级
B．高级语言机器级，应用语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器
级，微程序机器级
C．应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器
级，微程序机器级
D．应用语言机器级，操作系统机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，微程序机器级，传
统机器语言机器级
2. 计算机系统结构设计时遵循三个软硬件取舍原则，但 （D） 不在原则之中。
A．系统在现有硬件条件下有高的性能价格比 B．不要限制组成和实现技术的采用 C． 为软件设计提供更多更好的硬件支持 D．尽量发挥软件的优势
3．指令系统的改进以不删除原有指令系统为前提，通过增加少量强功能新指令代替常用指令串，保证了软件 （B） ，提高了编程效率。
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A．向前兼容 B．向后兼容 C.向上兼容 D．向下兼容
4. I/O的系统结构直接影响计算机系统的性能，包括主存、CPU利用率、 （D） 、I/O速度和系统的兼容性等。
A．指令执行速度 B．I/O设备容量 C．系统总线 D．系统吞吐量 5． 衡量一个存储器性能可从 ( A ) 方面考虑。
A．容量、速度、价格 B．制造工艺、封装、材料 C．容量、速度、功耗 D．Cache-主存存储层次、主存-辅存存储层次、辅存-磁带存储层次 6. 多处理机实现的并行主要是（ A ）。 A．任务级并行 B．指令级并行 C．线程级并行 D．操作级并行
7. 多功能流水线的特征是（ B ）。
A．一次运算中使用流水线中的多个段。
B．流水线的各个功能段在不同运算中可以有不同的连接。 C．一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段。 D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同。 8. 与线性流水线最大吞吐率有关的是（ D ）。 A．各个功能段的执行时间。 B．最快的那一段的执行时间。 C．最后功能段的执行时间。 D．最慢那一段的执行时间。
9. 与全相联映像相比，组相联映像的优点是（ B ）。 A．块冲突概率低 B．目录表小 C．命中率高 D．主存利用率高
10. 当计算机系统通过执行通道程序完成输入输出工作时，执行通道程序的是（ C ）。 A．CPU
B．CPU和通道 C．通道
D．指定的外设
11. 利用时间重叠原理实现并行处理的是（ A ）。 A．流水处理机 B．多处理机 C．阵列处理机 D．机群系统
12. 非线性流水线的特征是（ B ）。 A. 一次运算中使用流水线中的多个段
B. 一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段
C．流水线的各个功能段在不同运算中可以有不同的连接 D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同
13. 在具有加、乘法双功能的静态流水线中，功能切换的时间是在（D） A. 前一个功能的第一个任务进入流水线后 B. 前一个功能的第一个任务流出流水线后
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C. 前一个功能的最后一个任务进入流水线后 D. 前一个功能的最后一个任务流出流水线后
14. 容量和块大小均相同的Cache，块冲突概率由高到低的顺序是（ B ）。 A. 全相联映像、直接映像、组相联映像 B. 直接映像、组相联映像、全相联映像 C. 全相联映像、组相联映像、直接映像 D. 组相联映像、直接映像、全相联映像 15. 磁盘存储器适合于连接到（ C ）。 A. 字节多路通道或者选择通道 B. 字节多路通道或数组多路通道 C. 选择通道或数组多路通道 D. 任意一种通道 三．填空题
1. 计算机组成指的是计算机系统结构的 ，计算机实现指的是计算机组成的 。 逻辑实现，物理实现
2. 各机器级的实现主要靠 或 ，或者是这两者的结合。翻译，解释 3. 程序的局部性包括 和 两个方面。时间局部性和空间局部性
4. CISC的设计途径是增强 的功能以及设置更为复杂的 取代原先由软件子程序完成的功能，实现 的硬化;RISC的设计途径是通过 和 来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。
原有指令，新指令，软件功能，减少指令种数，简化指令功能
5．在全相联映象、直接映象和组相联映象中，块冲突最小的是 。Cache存贮器的地址映象规则一般不能用 ，否则，主存Cache的地址映象表太大，查表速度太慢，硬件难以实现。全相联映象，全相联映象
6. 存储系统组织结构通常包括 、 、 等3种存储结构。 单字宽存储器，多字宽存储器，多体交叉存储器
7．衡量流水线的主要性能指标是 和 。N个子过程组成的流水线中，其结果的输出速度取决于处理时间 的子过程。 流水线吞吐率，效率，最长
四．若一个动态浮点乘法流水线（如下图所示），每个功能段的时间均为?t，其乘积可直接返回输入端或暂存于相应缓存器中。请画出实现A?B?C?D的时空图，并求出该流水线的吞吐率TP、加速比SP和效率E。
输入 阶 加 尾数乘 规格化 积 拟定算法：第一步计算 A?B，C?D，设M=A?B，N=C?D
第二步计算 A?B?C?D，即G=M?N 时空图：
空间 规格化 尾数乘 阶乘
M M N M N
M
N N
G M,N
G
G G
时间
A,B C,D 输入
输出
吞吐率TP、加速比SP和效率E TP=n/TK=3/7?t?0.43/?t
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SP=9/7?1.29
E=(3?3?t)/( 3?7?t) ?42.9%
五、设某个字节多路通道的设备选择时间Ts为9.8μs，传送一个字节的数据所需的时间TD为0.2μs。若某种低速外设每隔500μs发出一次传送请求，请问：（1）该通道最多可连接多少台这种外设？
另有一通道，数据传送期间，选择一次设备为1μs，传送一个字节也需要1μs。现采用数组多路通道，定长快为512B，要挂接的各设备要求传送信息的工作速率如下表，求：
（2）数组多路通道工作的极限流量是多少？
（3）哪些设备可挂接此数组多路通道上？为什么？
设备号 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 工作速率（kB/s） 1000 480 200 150 100 80 28 20
解：
（1）字节多路通道的最大流量为：fmax?byte?字节多路通道的实际流量为：fbyte??fi
i?1p1TS?TD
其中，p为通道连接的外设台数，fi为外设i的数据传输速率。因为连接的是同样的外设，所以f1=f2=…=fp=f，故有fbyte=pf。 通道流量匹配的要求有：fmax-byte≥fbyte 即有：
1?pfTS?TD；可得：p?1(TS?TD)f
已知Ts = 9.8μs，TD = 0.2μs，1/f = 500μs，可求出通道最多可连接的设备台数为：
p?500?s1??50
(TS?TD)f(9.8?0.2)?s（2）
fmax.block?K512512??(B/?s)?1000kB/s
TS?KTD1?512?1513（3） 可挂2～8号设备，1号设备不能挂。因为它不满足基本工作条件
fmax.block?fblock.i
六、 有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5
1 △t 加法 2△t △t △t 2 △t 3 乘法 4 5 段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计
4?(A?B)iii?1第 7 页 共 3 页
算 ，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 解：
首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1) ×(A2＋B2)和(A3＋B3) ×(A4＋B4)；然后求总的结果。 其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：
TP?7 18?t如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t。所以加速比为：
29?tS?18?t?1.61该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：
4?5?3?3 E??0.3225?18七、 设cache共有16个数据块，每块大小为8B,主存共有128个数据块，请给出直
接映像、2路组相联映像、4路组相联映像和全相联映像时的访存地址格式 的具体形式并给出分析过程。
解：由于Cache 和 主存块大小相同，因此，对于块大小为8B来说，块内位移为3位；
由于共128数据块，因此主存块地址为7位。
对于直接映像：Cache有16块，即24，因此索引为4位，标识为7-4=3位； 对于2路组相连映像：Cache分为16/2=8组，组间直接映像，组内全相联映像。因此索引为3位，标识为7-3 = 4位； 对于全相联映像：7位块地址均为标识位。 如下：
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直接映像： 3 4 3
2路组相联映像：4 3 3
4路组相联映像：5 2 3
全相联映像：
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