计算机系统结构
姓名： 学号：
一、简答题（每小题10分，共20分）
1． 简述使用物理地址进行DMA存在的问题，及其解决办法。
2． 从目的、技术途径、组成、分工方式、工作方式等5个方面对同构型多处理机和异构型多处理机做一比较（列表）。
二、（60分）现有如下表达式：
Y ＝ a × X
其中：X和Y是两个有64个元素的32位的整数的向量，a为32位的整数。假设在存储器中，
X和Y的起始地址分别为1000和5000，a的起始地址为6000。
1．请写出实现该表达式的MIPS代码。
2．假设指令的平均执行时钟周期数为5，计算机的主频为500 MHz，请计算上述MIPS代码（非流水化实现）的执行时间。
3．将上述MIPS代码在MIPS流水线上（有正常的定向路径、分支指令在译码段被解析出来）执行，请以最快执行方式调度该MIPS指令序列。注意：可以改变操作数，但不能改变操作码和指令条数。画出调度前和调度后的MIPS代码序列执行的流水线时空图，计算调度前和调度后的MIPS代码序列执行所需的时钟周期数，以及调度前后的MIPS流水线执行的加速比。
4．根据3的结果说明流水线相关对CPU性能的影响。
三、（20分）请分析I/O对于性能的影响有多大？假设：
1． I/O操作按照页面方式进行，每页大小为16 KB，Cache块大小为64 B；且对应新页的地址不在Cache中；而CPU不访问新调入页面中的任何数据。
2． Cache中95%被替换的块将再次被读取，并引起一次失效；Cache使用写回方法，平均50%的块被修改过；I/O系统缓冲能够存储一个完整的Cache块。
3． 访问或失效在所有Cache块中均匀分布；在CPU和I/O之间，没有其他访问Cache的干扰；无I/O时，每1百万个时钟周期中，有15,000次失效；失效开销是30个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存。计算机平均每1百万个周期处理一页。
试题二
计算机系统结构
姓名： 学号：
一、名词解释（每题3分，共15分）
1. Cache 2:1 经验规则 2. 计算机体系结构 3. 同构型多处理机 4. 通道处理机 5. 堆栈型机器
二、填空（每空1分，共20分)
1. 设计I/O系统的三个标准是（ ）、（ ）和（ ）。 2. 存储器层次结构设计技术的基本依据是程序的（ ）。 3. 相联度越高，（ ）失效就越少；（ ）失效不受Cache容量的影响，但（ ）失效却随着容量的增加而减少。
4. 在虚拟存储器中，一般采用（ ）地址映象方法和（ ）更新策略。
5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有（ ）、（ ）和（ ）三种。在高性能单处理机的发展中，起主导作用的是（ ）。
6. 在处理机中，若指令序列完成的顺序总是与它们开始执行的顺序保持一致，则只可能出现（ ）相关,否则就有可能出现（ ）、（ ）和（ ）相关。
7. 对向量的处理有（ ）方式、（ ）方式、（ ）方式。
三、简答题（每题6分，共24分）
1. 任写出三种Cache的优化技术，并简述其基本思想。 2. 在指令集结构设计中，应该考虑哪些主要问题？
3. 数据相关有哪几种类型？解决数据相关有哪些主要方法？
4. 试以系列机为例，说明计算机体系结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。
四、计算题
1. 给定以下的假设，试计算直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间以及CPU的性能。由计算结果能得出什么结论？
（1） 理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2 ns，平均每条指令访存1.4次。
（2） 两者Cache容量均为128 KB，块大小都是32字节。 （3） 组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10%。 （4） 这两种Cache的失效开销都是80 ns。 （5） 命中时间为1个时钟周期。 （6） 128 KB直接映象Cache的失效率为1.0%，128 KB两路组相联Cache的失效率为0.7%。（15分）
2. 计算机系统字长64位，包含三个选择通道和一个多路通道，每个选择通道上连接了两台磁盘机和三台磁带机，多路通道上连接了了两台行式打印机，两台读卡机、10台终端，假定各设备的传输率如下：磁盘机：600 KBps，磁带机：200 KBps，行打机：6.6 KBps，读卡机：1.2 KBps，终 端：1 KBps。计算该计算机系统的最大I/O数据传输率。（6分）
3. 某计算机系统采用浮点运算部件后使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行一程序的整体性能提高到原来的10倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。（5分）
4. 动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图所示：
s1s2s3s4s5s6
其中，s1、s4、s5、s6组成乘法流水线，s1、s2、s3、s6组成加法流水线，各个功能段时间为：s1、s3、s4、s6为△t，s2、s5为2△t，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够地缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：∏（Ai＋Bi）（其中i＝1..4，∏为连乘符号）
（1）画出其处理过程的时空图。 （2）计算其实际的吞吐率和效率。（15分）
试题三
计算机系统结构
姓名： 学号：
一、名词解释（每题3分，共15分）
8. Victim Cache 11. 透明性 9. RAID 12. 向量处理机 10. 累加器型机器
二、填空（每空1分，共20分)
1. Cache失效可以分为（ ）、（ ）和（ ）三种。
2. 说出三种对计算机发展非常关键的实现技术:( ) 、( )和( ) 。
3. 2:1 Cache经验规则是指大小为N的（ ）Cache的失效率约等于大小为N/2的（ ）Cache的失效率。
4. 单机和多机系统中并行性发展的技术途径有：（ ）、（ ）和（ ）。
5. 通道分为（ ）通道、（ ）通道和（ ）通道三种类型。
6. 在处理机中，若指令序列完成的顺序总是与它们开始执行的顺序保持一致，则只可能出现（ ）相关，否则就有可能出现（ ）、（ ）和（ ）相关。
7. 输入/输出系统包括（ ）和（ ）。
三、简答题（每题6分，共24分）
1. 任写出三种降低Cache失效开销的方法，并简述其基本思想。
2. 指令集结构设计中表示寻址方式的主要方法有哪些？简述这些方法的优缺点。
3. 软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？ 4. 造成流水线“断流”的主要原因是哪三种相关？简述三种相关的基本思想。
四、计算题
1. 在伪相联中，假设在按直接映象找到的位置处没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）需要2个额外的周期；直接映象的命中时间为1个时钟周期，两路组相联的命中时间为1.2个时钟周期，直接映象情况下失效开销为80个时钟周期，当Cache容量为64 KB时，直接映象的失效率为1.4%，两路组相联的失效率为1%，问：直接映象、两路组相联和伪相联这三种组织结构中，哪一种速度最快？ （15分）
2. 将计算机系统中某一功能的处理速度加快15倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的30%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？（5分）
3. 计算机A和计算机B具有相同的指令系统。执行同一个程序时，计算机A的时钟周期为1 ns，CPI为2.0，计算机B的时钟周期为2 ns，CPI为1.2。请问执行这个程序时，哪台计算机更快？（6分）
4. 动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：
s1s2s3s4s5s6
其中，s1、s4、s5、s6组成乘法流水线，s1、s2、s3、s6组成加法流水线，，各个功能段时间为：s1、s3、s4、s6为△t，s2、s5为2△t，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够地缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：?AiBi
i?14（1） 画出时空图。
（2） 计算实际的吞吐率、加速比和效率。（15分）