1.名词解释（每个3分，共15分）
多级层次结构----按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为微程序机器级、传统机器语言机器级、操作系统机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级等。
解释----对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
翻译----先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
透明性----在计算机技术中，把本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
Amdahl定律----当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
模拟----用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机host）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。
仿真----用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。
指令系统的完整性----在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令系统所提供的指令足够使用。
指令系统的规整性----没有或尽可能减少例外的情况和特殊的应用，所有运算都能对称，均匀地在存储器单元或寄存器单元之间进行。
静态流水线----指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。
动态流水线----指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。 计算机系统结构-----传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。 程序的局部性原理-----程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。
系列机----由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
软件兼容-----一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。差别只是执行时间的不同。
并行性-----计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上相互重叠，就存在并行性。它包括同时性与并发性两种含义。
寻址方式-----指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。 数据表示-----硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据结构。 结构冲突-----因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。
数据冲突------当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。
顺序流水线------流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线------流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。
可靠性-----指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通常用平均无故障时间来衡量。
可用性-----指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。
2选择题（每个2分 ，共14分）
1.对汇编语言程序员不透明的是（） A．程序计算器 B.主存地址寄存器 2.直接执行微指令的是（） A．汇编程序 B．编译程序 A．采用统一的高级语言 C．模拟
C.条件码寄存器 D.指令寄存器
D．微指令程序
C．硬件
3.不同系列的机器之间，实现可移植性的途径不包括（）
B．采用统一的汇编语言 D．仿真
4.从计算机系统结构来看，机器语言程序员看到的机器属性是（） A．计算机软件所要完成的功能 B．计算机硬件的全部组成 C．编程要用到的硬件组织 D．计算机各部件的硬件实现 5.不需要编址的数据存储空间是（） A．CPU中的通用寄存器 B．主存储器 C．I/O接口中的寄存器 D．堆栈 6.信息按整数边界存储的主要优点是（） A．访存速度快 C．指令字的规整化
B．节约主存单元 D．指令的优化
7.操作码优化的主要目的是（） 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．A、B和C 8.平均码长最短的编码是（） A．定长编码 C．扩展编码
B．哈夫曼编码
D．需要根据编码使用的频度计算平均码长后确定
B．动态流水线是多功能流水线
D．动态流水线只能是单功能流水线
9.以下说法不正确的是（）
A．线性流水线是单功能流水线 C．静态流水线是多功能流水线
10.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．最慢的那一段的执行时间 D．最后功能段的执行时间 11.程序员编写程序时，使用的访存地址是（） A．主存地址 B．逻辑地址 12.虚拟存储器主要是为了（） A．扩大存储系统的容量
C．物理地址
D．有效地址
B．提高存储系统的速度
D．便于程序的访存操作
C．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度 13.与全相联映像相比，组相联映像的优点是（）
A．目录表小 B．块冲突概率低 C．命中率高 D．主存利用率高 14.按cache地址映像的块冲突概率从高到低的顺序是（） A．全相联映像、直接映像、组相联映像 B．组相联映像、全相联映像、直接映像 C．直接映像、组相联映像、全相联映像
D．全相联映像、组相联映像、直接映像
15.以下说法不正确的是（） A．线性流水线是单功能流水线 B.动态流水线是多功能流水线 C．静态流水线是多功能流水线 D.动态流水线只能是单功能流水线 16.在MIPS的指令流水线中，可能发生的冲突有（）
A．同一条指令的读操作与写操作之间的写后读冲突。
B．先流入的指令的写操作与后流入的指令的读操作之间的写后读冲突 C．后流入的指令的写操作与先流入的指令的读操作之间的读后写冲突 D．两条指令的写操作之间的写后写冲突
17.对于采用组相联映像、LRU替换算法的cache存储器来说，不影响cache命中率的是（） A．增加cache中的块数 C．增大主存容量
B.增大组的大小 D.增大块的大小
18.下列说法不正确的是（）
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
19.输入输出数据不经过CPU内部寄存器的输入输出方式是（） A．程序控制输入输出方式 B.中断输入输出方式
C．直接存储器访问方式 D.上述3种方式
20.在配置有通道的计算机系统中，用户程序需要输入输出时，引起的中断是（） A．访管中断 B.I/O中断 C.程序性中断 D.外部中断
21.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.通道 C.CPU和通道 D.指定的外设 22.磁盘存储器适合于连接到（） A.字节多路通道或选择通道 C.选择通道或数组多路通道
B.字节多路通道或数组多路通道 D.任意一种通道
23.在由多个通道组成的I/O系统中，I/O系统的最大流量是（） A.各通道最大流量的最大值 B.各通道最大流量之和 C.各通道实际流量的最大值 D.各通道实际流量之和
3.填空题（每空1分，共15分）
1.常见的计算机系统结构分类法有3种：Flynn分类法、冯氏分类法、Handler分类法。 2.程序的局部性包含程序的 时间 局部性和程序的 空间 局部性。
3.从多级层次结构出发，计算机系统可以有 由上往下设计、由下往上设计、从中间开始设计 3种不同的设计方法。
4.广义来说，并行性即包含 同时 性，又包含 并发 性。
5.CPU中用来存储操作数的存储单元主要有 堆栈、累加器和寄存器。
6.指令系统编码格式有 变长编码格式、固定长度编码格式和混合型编码格式。 7.流水线冲突有 结构冲突、数据冲突和控制冲突 3种类型。
8．按照指令读访问和写访问的先后顺序，可以将数据冲突分为 写后读冲突、写后写冲突和读后写冲突 3中类型。
9.消除流水线瓶颈的方法有 细分瓶颈段 和 重复设置瓶颈段 两种。 10.相关有3种类型： 数据相关 、 名相关 和 控制相关 。 11.指令之间的名相关有 反相关 和 输出相关 两种。
12.存储层次的性能参数有 存储容量、平均每位价格、命中率、平均访问时间 4个。 13.存储层次要解决的4个问题是 映像规则、查找方法、替换算法、写策略 。
14.按照产生不命中的原因不同，可以把不命中分为 强制性不命中 、 容量不命中 和 冲突不命中 3类。 15.在相同的器件条件下，如果要提高主存的带宽，可以采用 单体多字存储器 和 多体交叉存储器 两种并行存储器结构。
4.解答题（每个5分，共10分）
1.试用实例说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的相互关系。
答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构；确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成；而选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种系统结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。 2.计算机系统“由中间开始设计”，其“中间”指的是是么地方？这样设计的好处是什么？ 答： “中间”指的是多级层次结构中的软硬件交界面，即传统机器级与操作系统机器级之间。
这样设计，能合理地进行软硬件的功能分配，优化软硬件设计，可为软件和应用提供更多更好的支持；软件和硬件并行设计可以缩短设计周期。 3.从当前的计算机技术观点来看，CICS结构有什么缺点？
答：（1）CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
（2）CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
（3）CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。 （4）CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
（5）在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机系统结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 4.简述RISC结构的设计原则。
答：（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，其他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。
5. 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。 答：（1）以经常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。（2）Amdahl定律。加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。（3）CPU性能公式。执行一个程序所需的CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间。（4）程序的局部性原理。程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。 6.指令集应满足哪几个基本要求？
答：对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。
完整性是指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令足够使用。
规整性主要包括对称性和均匀性。对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据
存储单元，指令的设置都要同等对待。
高效率是指指令的执行速度快、使用频度高。 7.指令集结构设计所涉及的内容有哪些？ 答： (1) 指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向； (2) 寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频率，根据适用频率设置必要的寻址方式。 (3) 操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有：浮点数据类型、整型数据类型、字符型、十进制数据类型等等。 (4) 寻址方式的表示：可以将寻址方式编码于操作码中，也可以将寻址方式作为一个单独的域来表示。 (5) 指令集格式的设计：有变长编码格式、固定长度编码格式和混合型编码格式3种。 8.简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机有什么缺点？
答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。
缺点： (1) CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 (5) 在CISC结构的指令集中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 9.简述流水线技术的特点。 答：流水技术有以下特点：
（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。
（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。
（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。
（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。
（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。
10.减少流水线分支延迟的静态方法有哪些？
答：（1）预测分支失败：沿失败的分支继续处理指令，就好象什么都没发生似的。当确定分支是失败时，说明预测正确，流水线正常流动；当确定分支是成功时，流水线就把在分支指令之后取出的指令转化为空操作，并按分支目标地址重新取指令执行。
（2）预测分支成功：当流水线ID段检测到分支指令后，一旦计算出了分支目标地址，就开始从该目标地址取指令执行。
（3）延迟分支：主要思想是从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。把延迟分支看成是由原来的分支指令和若干个延迟槽构成。不管分支是否成功，都要按顺序执行延迟槽中的指令。
3种方法的共同特点：它们对分支的处理方法在程序的执行过程中始终是不变的。它们要么总是预测分支成功，要么总是预测分支失败。 11.简述延迟分支方法中的三种调度策略的优缺点。 调度策略 对调度的要求 从前调度 分支必须不依赖于被调度的指令 对流水线性能改善的影响 总是可以有效提高流水线性能