计算机系统结构：第1章-计算机系统结构的基本概念.docx

第一章计算机系统结构的基本概念知识点汇总计算机系统的层次结构、虚拟机、解释/翻译、计算机系统结构/组成/实现、冯氏分类法、Flynn分类法、以 经常性事件为重点原理、Amdahl定律、CPU性能公式、程序局部性原理、计算机系统性能评测指标（执行 时间、吞吐率）、基准测试程序、冯诺依曼结构、冯诺依曼结构特点及改进、软件可移植性、系列机、软件 兼容（向上、向下、向前、向后）、兼容机、模拟、仿真、并行性含义、并行性等级、提高并行性的途径（包 括时间重叠、资源重复、资源共享）、单机系统中的并行性开展、多机系统中的并行性开展、耦合度、松散 耦合、紧密耦合简答题.简述计算机系统的层次结构。（知识点：计算机系统的层次结构）答：从下到上分成微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机、应 用语言虚拟机.什么是翻译？什么是解释？（知识点：翻译、解释）答：翻译是将L+1级程序全部转成L级程序后，再执行产生的L级程序；解释是每当一条L+1级程序被译码后执行，再解释下一条L+1级指令。1 .计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系，并举例说明。（知识点：计算机系统结构/ 组成/实现）答：计算机系统结构是指计算机的软硬界面，即机器语言程序员看到的传统机器具有的属性。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。如，确定指令集中是否有乘法指令属于计算机系统结构内容，乘法指令是否由专门的乘法部件实 现是计算机组成，乘法器的物理实现是计算机实现。2 . Flynn分类法将计算机系统结构分成哪四类？请简述。答：SISD, SIMD, MISD, MIMD.请简述程序局部性原理。（知识点：程序局部性原理）答：包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信 息；程序的空间局部性是指，程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息空间上临近。3 .简述Amdahl定律。（知识点：Amdahl定律）答：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间战系统中总执行时间的百 分比。4 .系列机的概念？（知识点：系列机）答：同一厂家生产的具有相同体系结构、具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。5 .什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？（知识点：软件兼容） 答：一个软件可以不加修改或者少量修改，可以由一台机器上移植到另一台机器上运行。分成向上、向 下、向前、向后兼容，向后兼容是根本特征。6 .简要说明提高计算机系统并行性的3种技术途径，并各举一例。（知识点：提高并行性途径） 答：时间重叠，如流水线；资源重复，如多处理机；资源共享，如多道程序。选择题1.计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为（C ）o （知识点：计算机系统的层次结构）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 .最早的冯诺依曼体系结构是以（A ）为中心的。A.运算器B.控制器C.存储器D. I/O设备.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（C ）o （知识点：计算机系统结构/组成 /实现）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.用户CPU时间由哪三个因素决定？ （ D ）（知识点：CPU性能公式）A. CPL IC和所执行的指令条数B. CPL IC和执行程序所需要的时钟周期数C. CPL IC和系统加速比D. CPI, IC和时钟频率.根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？ （ C ）（知识点：Amdahl定律）A.可改进比例和所执行的指令条数B.可改进比例和执行程序所需要的时钟周期数C.可改进比例和部件加速比D.可改进比例和时钟频率 6.实现软件可移植性的基本途径不包括（D ）。（知识点：软件可移植性、系列机、软件兼容、兼容机、模拟、仿真）A.采用统一的高级语言B.米用系列机C.模拟和仿真D.采用统一的汇编语言.利用时间重叠概念实现并行处理的是（A ）。（知识点：提高并行性的途径）A.流水处理机B.多处理机C.阵列处理机D.机群系统.多处理机实现的并行主要是（A ） o （知识点：提高并行性的途径）A.任务级并行B.指令级并行C.线程级并行D.操作级并行填空题1 .程序的局部性包括（时间局部性）和（空间局部性）两个方面。（知识点：程序局部性原理）.计算机组成指的是计算机系统结构的（逻辑实现 ）,计算机实现指的是计算机组成的（物理实 现 ）o （知识点：计算机系统结构/组成/实现）2 .计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原那么是（以经常性事件为重点）、（程序局部性原理）和Amdahl定律。知识点（以经常性事件为重点、程序局部性原理）.多机系统的耦合度可以分为最低耦合、（松散耦合）和（紧密耦合）3类。（知识点：耦合度、松散耦合、紧密耦合）. CPU性能公式的3个参数反映了与系统结构相关的三个因素：（周期时间 ）取决于计算机实现 技术和计算机组织，（CPI ）取决于计算机指令集的结构和指令集的设计与实现技术，（IC ） 取决于计算机指令集的结构和编译技术。（知识点：CPU性能公式）3 .根据Amdahl定律可知，对系统进行改进所获得的加速比取决于（部件所占比例）和（部件加速比 ）o （知识点：Amdahl定律）.实现程序可移植性的主要途径有（采用系列机）、（模拟和仿真）和统一高级语言。4 .软件兼容有（向上）、（向下）、（向前）和（向后 ）四种，其中（向后 ）是软件兼容的根本特征。（知识点：软件兼容）.计算机系统中提高并行性的技术途径有（时间重叠 ）、（资源重复 ）、（资源共 享 ）。（知识点：提高并行性的途径）10,从处理数据的角度来看，并行性等级从高到低可分为字并位并，（字并位串），（字串位并），字串位串。 （知识点：并行性等级）.广义来说，并行性既包含（ 同时性），又包含（并发性）o11 .从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为（指令内部并行），（指令级并行），（线程级并行）, （过程级并行），（作业级并行）。（知识点：并行性等级）计算题1.用一台40MHz的计算机执行标准程序的测试，它包含的指令类型、指令数和相应的时间如下表所示:指令类型指令数平均时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点运算150002控制传送80002求： 有效CPICPU执行时间(2) MIPS(知识点：CPU性能公式)答：(1) CPI=(45000X14-32000x2+15000x2+8000x2) /(45000+32000+15000+8000尸 1.55(2) MIPS=f/CPI=40/1.55=25.8MIPS(3) CPU 时间=(45000x 1 +32000x2+15000x2+8000x2) /40=3.875ms2.某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下:指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数450001数据传送750002浮点80004分支15002求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。 (知识点：CPU性能公式)答：(1) CPI = (45000X1 + 75000x2+8000x4 +1500x2) / 129500 =1.776(2) MIPS 速率= f/CPI =400/1.776 =225.225MIPS(3)程序执行时间二(45000x1+75000x2+8000x4+ 1500x2) / 400=575s3.假设在一台40MHZ处理机上运行200,000条指令的目标代码(这个数字好像没用)，程序主要由四种 指令组成。根据程序跟踪实验结果，指令混合比和每种指令所需的指令数如下：指令类型CPI指令混合比算术和逻辑160%高速缓存命中的加载/存储218%转移412%高速存储缺失的存储器访问810%(a)计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPIo(b)根据(a)所得的CPI,计算相应的MIPS速率。(知识点：CPU性能公式)答：6FZ = 1 * 60% + 2 * 18% + 4 * 12% + 8 * 10% = 2. 2440MHZ2.24 10640MHZ2.24 106=17.864.某台处理机的时钟频率为15MHz,执行测试程序的速率为10MIPS,假设每次存储器存取需要1个时 钟周期的时间。问：(1)试从CPU时间公式分析影响CPU性能的因素。(2)求处理机的CPI值(3)假设将处理机的时钟频率提高到30MHz,但存储器的工作速率不变，这使每次存储器存取需要 2个时钟周期。如果测试程序中30%的指令需要1次访存，5%的指令需要2次访存，其他指令不需要访存， 求该测试程序在改进后的处理机上执行的速率(MIPS)。注：MIPS 为 Million Instructions Per Second,每秒百万条指令。(知识点：CPU性能公式)答：(1) CPU时间公式为CPU时间=指令条数(IC) *平均每条指令的时钟周期数(CPI) *时钟周期时间 其中：时钟周期时间取决于硬件实现技术和计算机组成；指令条数取决于指令集结构和编译技术；平均每 条指令所需要的时钟周期数取决于计算机组成和指令集结构。(2) CPI=时钟频率/速率=15M/10M= 1.5CPI = 65%* 1.5 + 30%*2 + 5%*4 = 1.775速率工时钟频率，/CPF = 30MHZ/1.775 = 16.9M1PS.计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：部件加速比尸30；部件加速比2=20；部件加速比3=10(1)如果部件1和部件2的可改进比例均为30%,那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可 以到达10?(2)如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%,三个部件同时改进，那么系统中不可加速局部 的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？(知识点：Amdahl定律)答：(1)在多个部件可改进情况下，Amdahl定理的扩展： Si = 30, S2 = 20, S3=10, Sn=10, Fi=0.3, F2 = 0.3,得:10 =1-(0.3+0.3+%)+ (0.3/30+0.3/20+心 /10)得F3 = 0.36,即部件3的可改进比例为36%o(2)设系统改进前的执行时间为T,那么3个部件改进前的执行时间为：(0.3+0.3+0.2) T = 0.8T,不可改进局部的执行时间为0.2T。3个部件改进后的加速比分别为Si=30, S2=20, S3=10,因此3个部件改进后的执行时间为：=0.045T0.3T 0.3T 0.2T11302010改进后整个系统的执行时间为：Tn=0.045T+0.2T = 0.245T那么系统中不可改进局部的执行时间在总执行时间中占的比例是:0.2T0.2457= 0.825 .某计算机要针对其CPU、内存、硬盘这三种硬件进行升级。：(1)升级前此计算机执行某测试程序时，40%的执行时间消耗在CPU上，25%的执行时间消耗在内存访问， 20%的执行时间消耗在硬盘访问。(2)新CPU的运算速度是原CPU的4倍，平均无故障时间是50万小时。(3)新内存的访问速度是原内存的2倍，平均无故障时间是20万小时。(4)新硬盘的访问速度是原CPU的5倍，平均无故障时间是10万小时。(5)假定每个部件的生存期服从指数分布，且各部件的故障是相互独立的。问：(1)升级前后使用同一测试程序进行性能测试，在只升级CPU,只升级内存，只升级硬盘这三种情况下, 系统加速比各为多少？三种硬件同时升级的情况下，系统的速度能不能到达原来的三倍？(2)不考虑CPU,内存，硬盘以外的硬件故障，那么三种硬件同时升级后，整个计算机系统的平均无故障时 间是多少小时？(知识点：Amdahl定律)解:(1)根据Amdahl定律可得：系统加速匕加二不可改进比例+可改进比例部件加速比只升级CPU,只升级CPU,Pl 二=W = 1 43(1 . 40%) + *7只升级内存,只升级硬盘,只升级内存,只升级硬盘,P2 =(1一25%) +苧8 11yl= - = 1.147P3 =!(1 20%) +竽= = 1.1921三种同时升级，户总=(l-40%-25%-20%) + + y + y200-83= 2.4不能到达原来的3倍。(2)每种硬件的失效率等于该硬件平均无故障时间的倒数，系统的失效率为所有硬件失效率的和。因此三 种硬件同时升级后，整个系统的失效率为：r= o.oooon500000 200000 100000 1000000整个系统的平均无故障时间为=磨2229 = 58823小时R 17解毕。