计算机系统机构模拟试题三21秋西电答案
计算机系统机构模拟试题三一．试叙述指令系统设计的基本原则，设计内容和步骤。
二．输入、输出系统包括哪些部分？输入输出系统结构设计的重要性是什么？输入输出系统的发展经历哪3个阶段？
三．说明存储体系的性能参数：每位价格，命中率，等效访问时间。
四．流水方式可分为哪些类？并对其进行简要说明。
五．给出标量流水线的主要性能指标的吞吐率和最大吞吐率的定义？并举例进行说明。
参考答案
一．试叙述指令系统设计的基本原则，设计内容和步骤。p50 (ppt 9讲P17)
指令系统是程序设计者看机器的主要属性，是软、硬件的主要界面，它在很大程度上决定了计算机具有的基本功能。
1.指令系统设计基本原则
设计和确定指令系统主要应考虑如何有利于满足系统的基本功能；
有利于优化机器的性能价格比；
有利于指令系统今后的发展和改进。
2.指令系统设计内容
指令系统的设计包括：指令的功能(操作类型、寻址方式和具体操作内容)和指令格式的设计。
3.指令系统设计的步骤为
(1)根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令；
(2)试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序；
(3)对各种算法编写大量测试程序进行模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高；
(4)将程序中高频出现的指令串复合改成一条强功能新指令，即改用硬件方式实现；而将频度很低的指令的操作改成用基本的指令组成的指令串来完成，即用软件方式实现。
二．输入、输出系统包括哪些部分？输入输出系统结构设计的重要性是什么？输入输出系统的发展经历哪3个阶段？p90 （ppt 18讲p1-3）
1. I/O系统组成
包括：输入/输出设备、设备控制器与输入/输出操作有关的软、硬件。
2. I/O系统结构设计的重要性
输入/输出系统结构设计的好坏会直接影响计算机系统的性能，不仅影响输入/输出速度，各用户从程序送入到运算结果输出的时间，CPU、主存的利用率，还会影响到整个I/O系统的兼容性、可扩展性、综合处理能力和性能价格比等。
3. 输入/输出系统的发展
其发展经历了3个阶段，相应对应于4种方式，
(1) 程序控制I/O（包括全软的、程序查询等）方式
(2) 中断方式
(3) 直接存储器访问（DMA）方式
(4) I/O处理机方式。它们可分别用于不同的计算机系统，也可用于同一系统。对于I/O处理机方式又可有: 1) 通道(Channel)方式和 2) 外围处理机方式(PPU)。
三．说明存储体系的性能参数：每位价格，命中率，等效访问时间。P103(ppt 19讲p9-12)
1．每位价格：设ci为Mi的每位价格，SMi为Mi的以位计算的存储容量，TAi为CPU访问到Mi中的信息所需的时间。为评价存储层次性能，引入存储层次的每位价格c、命中率H和等效访问时间TA。每位价格为
2．命中率H的定义：为CPU产生的逻辑地址能在M1中访问到(命中到)的概率。
命中率获得和表示：可用实验或模拟方法求得，即执行或模拟一组有代表性的程序，若逻辑地址流的信息能在M1中访问到的次数为R1，当时在M2中还未调到M1的次数为R2，则命中率：H=R1/(R1+R2)。
3．等效访问时间TA和效率e
存储层次的等效访问时间：TA=HTA1+(1-H)TA2。希望TA越接近于TA1，即存储层次的访问效率：e=TA1/TA 越接近于1越好。
四．流水方式可分为哪些类？并对其进行简要说明。P156－159 （ppt 28讲p5,8,9,11,14,15）
答：从不同的角度对流水可进行不同的分类。
1）依据向下扩展和向上扩展的思路，可分类出在计算机系统不同等级上使用的流水线。
所谓向下扩展指的是把子过程进一步地细分，让每个子过程经过的时间都同等程度地减少，吞吐率就会进一步提高。
2）流水按处理的级别可分为：部件级、处理机级、和系统级。
部件级流水：指构成部件内的各个子部件间的流水，如：运算器中浮点加的流水、Cache内和多体并行主存内的流水。
处理机级流水：指构成处理机的各部件之间的流水，如：取指，分析、执行间的流水。
系统级流水：指构成计算机系统的多处理机之间的流水。也称为宏流水。
3）按流水线具有的功能多少来分：单、多功能流水线。
单功能流水：只能实现单一功能流水，如只能实现浮点加减的流水线。要实现多个功能，就需要多条单功能流水线。
多功能流水：是同一流水线的各个段之间可以有多种不同的连接方式以实现多种不同的运算或功能。
4）按多功能流水线的各个段能否允许同时用于多种不同功能连接流水，可把流水线分为静态、动态流水线。
5)从机器所具有的数据表示可以把流水线处理机分为标量流水机和向量流水机。
6)从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水和非线性流水。
五．给出标量流水线的主要性能指标的吞吐率和最大吞吐率的定义？并举例进行说明。p160 (ppt 29讲p1-4)
吞吐率是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。
如果各个子过程所需的时间分别为Δt1、Δt2 、Δt3、Δt4，时钟周期应当为max{Δt1,Δt2,Δt3,Δt4},最大吞吐率则为，即：流水线的最大吞吐率为
它受限于流水线中最慢子过程经过的时间。流水线中经过时间最长的子过程称为瓶颈子过程。
例如，有一个4段的指令流水线如图5-20(a)所示，其中，1、3、4段的经过时间均为Δt0，只有2段的经过时间为3Δt0 ，因此瓶颈在2段，使整个流水线最大吞吐率只有1/(3Δt0),其时-空图如图5-20(b)所示。即使流水线每隔Δt0流入一条指令，也会因来不及处理被堆积于2段，致使流水线仍只能以每隔3Δt0才流出一条指令。
图5-20最大吞吐率取决于瓶颈段的时间
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