河北大学课程考核参考答案及评分标准 （ 2006 — 2007 学年第 二 学期）
考核科目 计算机系统结构 课程类别 必修课 考核方式 闭卷 卷别 B
1. ①数据相关 ②控制相关 2. ③加速比 ④效率 3. 4. 5. 6. 7.
⑤速度
⑥容量 ⑦速度 ⑧定向 ⑨暂停 ⑩最高位
11直接映象 ○12全相联 ○13M 8. ○
14I/O设备与处理机的连接 9. ○
15属性 ○16概念性结构 10. ○
17体系结构 ○18 组成与实现 11. ○
19并行性 ○20通信 12. ○
二、名词解释：（每题3分，共15分）
1. 透明性：在计算机技术中，一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。
2. 多处理机系统：两个或两个以上处理机(包括PU和CU)，通过高速互连网络连接起来，在统一
的操作系统管理下，实现指令以上级（任务级、作业级）并行。 3. 向量处理机：具有向量数据表示和相应向量指令的流水线处理机。
4. 分布处理系统：把若干台具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统的全
盘控制下，统一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。 5. RAID（写出英文全称并解释）：（Redundant Array of Inexpensive Disk，RAID），廉价磁盘冗余
阵列，简称盘阵列技术。 三、简答题：（每题6分，共30分）
1. 硬件和软件在什么意义上是等效的?在什么意义上又是不等效的? 试距离说明。
答：硬件和软件在逻辑功能上是等效的。在原理上，用软件实现的功能完全可以用硬件或固件(微程序解释)来完成。用硬件实现的功能也可以通过用软件进行模拟来完成，只是反映在速度、价格、实现的难易程度上，这两者是不同的。（3分）
例如：对于存储在光盘上的图像解压，PC机可以有硬件解压和软件解压两种方式。它们都是实现解压的逻辑功能，因此在逻辑意义上等效。软件解压方式灵活，对于一般用户成本低，同时存在解压速度慢、解压效果不良等缺点。而硬件解压卡具有速度快、图像效果好等优点，对于一般用户成本高。因此，在物理意义上不是等效的。（3分）
2. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？简述其基本思想。
答：(1) 时间重叠：多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。 （2分）
(2) 资源重复：通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。（2分）
(3) 资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。（2分）
3. 简述多处理机中产生Cache一致性问题的原因。
答：(1) Cache的引进对I/O操作产生了一致性问题，因为Cache中的内容可能与由I/O子系统输入输出形成的存储器对应部分的内容不同。（3分）
(2) 对共享数据，不同处理器的Cache都保存有对应存储器单元的内容，因而在操作中就可能产生数据的不一致。（3分）
4. 论述多机系统的耦合度可以分为哪几类？
答：(1) 最低耦合：通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也无共享的联机硬件资源。 （2分）
(2) 松散耦合：通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备(例如磁盘、磁带等)，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。 （2分）
(3) 紧密耦合：机间物理连接的频带较高，它们往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。（2分）
5. 可从哪三个方面改进Cache的性能？
答：(1) 降低失效率 （2分） (2) 减少失效开销 （2分）
(3) 减少Cache命中时间 （2分）
6. 衡量计算机系统可靠性能指标的可靠性、可用性与可信性三者之间的关系。
答：（1）系统的可靠性指系统从初始状态开始一直提供服务的能力。通常用用平均无故障时间MTTF来衡量。系统中断服务的时间用平均维修时间MTTR来衡量。（2分）
（2）系统可用性指系统正常工作时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率，即可用性＝MTTF/（MTTF＋MTTR）。（2分）
（3）可信性指服务的质量，多大程度上可以合理地认为服务是可靠的。可信性不可度量。（2分） 四、计算题（35分）
1. 假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性能改进到原来的100倍时，而I/O性能仅改
进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进？（6分）
解： 加速比＝
本题反映了Amdahl定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。(6分) 2. 有一条流水线如下所示。
(1) 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；（4分）
(2) 该流水线的瓶颈在哪一段？请采取三种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出的新流水线，计算连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率。（6分）
答：(1)
（2分）
(2) 瓶颈在3、4段。
变成八级流水线（细分）
（2分）
变成两级流水线（合并）
（2分）
重复设置部件
（2分）
（2分）
3. 假设Cache失效开销为70个时钟周期，当不考虑存储器停顿时，所有指令的执行时间都是2.0
个时钟周期，访问Cache失效率为2%，平均每条指令访存1.2次。试分析考虑Cache的失效后，Cache对性能的影响。若不采用Cache，性能会怎样？（7分）
考虑Cache的失效后，性能为
（2分）
CPU时间有cache＝IC×（2.0＋（1.2×2 %×70））×时钟周期时间 ＝IC×3.68×时钟周期时间 （3分）
当考虑了Cache的失效影响后，CPI就会增大。本例中CPI从理想计算机的2.0增加到3.68，是原来的1.84倍。
若不采用Cache，CPI将增加为2.0＋70×1.2＝86，即超过原来的40倍。（2分）
4. 有一个Cache存贮器，块的大小为512字（字为最小编址单位），主存分8块，Cache分为4
块，采用组相联映象（组间直接、组内相联），每组2块，替换算法为LRU。
（1）标出主存、Cache地址的各字段位数。(3分) 主存地址： 区号（ ① 位） 组号（② 位） 块号（ ③ 位） 块内位移（ ④ 位） Cache地址：
组号（ ⑤ 位） 块号（ ⑥ 位） 块内位移（ ⑦ 位） （2）画出主存、Cache空间块映象对应关系图。（2分）
（3）设主存块地址流为1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2，从Cache为空开
始，列出Cache中各块随时间的使用状况。（3分） （4）需要进行块替换的时刻有哪些？（2分） （5）求Cache的命中率。（2分）
（1）
主存地址： 区号（1位） 组号（1位） 块号（1位） 块内位移（9位）
Cache地址： 组号（1位） 块号（1位） 块内位移（9位） (3分) （2）
块号 Cache 主存 块号 0组 1组 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 0组 1组 2组 3组 0区 1区
（2分）
（3） 主存块地址 0 Cache1 块 2 3 命中情况 1 2 4 1 3 7 0 1 2 5 4 6 4 7 2 1 1 1* 1 1 1 1* 1 1 1* 4 4 4 4 4 4 4* 4* 4* 0 0* 0* 5 5* 5* 5* 5* 5* 2 2 2 2* 7 7 7 7* 7* 7* 6 6 6* 2 3 3* 3* 3* 2 2 2 2* 2* 7 7* 失 失 失 H 失 替 替 H 替 替 替 替 H 替 替 （3分） （4）根据上图，需要进行块替换的时刻有6、7、9、10、11、12、14、15。（2分） （5）Cache的块命中率为3/15 = 0.2。（2分）