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二、填空题（本大题共10空，每空1分，共10分 ）
1．一个系统的运算速度为2 MIPS
2．先行控制技术采用的两个根本的措施是指令预处理技术和技术。
5．在向量机中，利用向量指令间存在的数据相关性来加快向量指令序列执行速度的技术称为
6．处理器级总线又称系统总线，主要连接处理器和。
7．由容量为C的Cache和容量为M。
8．在具有虚拟存储器的系统中，CPU
10．具有N个输入端和N个输出端的交叉开关能实现端口间
1．作为一个通常意义上的体系结构设计者，主要任务是界定________与____的界面，也就是说规定系统硬件所能提供的各种功能。
2．按照Flynn分类法，并行处理机属________系统，实现的是____________的并行处理。
3．属于数据相关的主要有四种情况________、________、通用寄存器数据相关和变址相关。
4．在向量机中，利用向量指令间存在的数据相关性来加快向量指令序列执行速度的技术称为________。
5．认为虚拟储存器是透明的程序员是。
6．提高存储器速度的方法有使用_____访问存储器和________访问存储器。
7．指令和数据分开放在不同的Cache中，这种分开的Cache设计称为____结构。
8．USB总线不____占用系统资源，最多可以连接个外部设备。
9．交叉开关是一种__动__态互联网络，能实现端口间种置换连接。
8．用Cache、主存和磁盘组成一个三级存储系统由2存储系统 和
存储系统 。
二、名词解释（每个4分）
1．目录表：用一个小容量高速存储器存放压缩页表。只为已经装入主存的页建立对应关系，加快虚拟存储器
的地址变换时间。
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2．阻塞网络：阻塞网络在实现任意端口之间的连接，可能出现端口冲突的网络。
3. 写直达法：又称写通过法，WT（Write-through），CPU在执行写操作时，把数据同时写入Cache和主存。
4. 乱序流动：流水线的动态调度技术之一，为了缓解数据相关把流入流水线的任务顺序调换的方法。任务流出
流水线的顺序与流入流水线的顺序不一样。
5. 向量链接技术：当两条指令出现“写后读”相关时，若它们不存在功能部件冲突和向量寄存器(源或目的)冲
突，就有可能把它们所用的功能部件头尾相接，形成一个链接流水线，进行流水处理。
多处理器同时运行相同指令。
2．先行控制 : 先行控制又称为预测控制，是处理机种实行指令重叠执行技术的基础.
3．向量指令链接技术 :
把前一条指令的流水线流出的结果作为下一条指令的输入。
4．程序局部性 :
分别阐述时间局部性和空间局部性。
5．网络直径
网络中任意两个节点间距离的最大值。
1．Amdahl定律
一个反映部件速度与系统整体性能关系的定律。系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所能获得的系统性能的改进程度，取决于这种方式被使用的频度，或所占总执行时间的比例。即系统加速比为：（见P12 （1-3））
2．延迟转移技术
重新排列指令的执行次序，将转移指令与其前一条指令的次序对调，即先执行转移指令，后执行前一条指令。这样既保证了转移指令的执行，又使其前一条指令得以正常执行。
3．虚拟地址
在虚拟存储器中，把程序使用的地址称为虚拟地址，或称为逻辑地址。
如果一个处理机在单个时钟周期中只能取出一条指令供执行，就称为单发射（处理机）。
3．寄存器窗口重叠
嵌套的两个过程分配使用相邻的寄存器窗口中，有一部分寄存器是重叠的，有了这种重叠后，过程之间的参数传递就不需要实际上的数据移动，可以提高速度和减少访存。
4．交叉访问存储器
存储器由N个存储体构成，CPU在一个存储周期中可以访问多个存储体，所谓交叉，是指个存储体之间地址是交叉配置的。
5．端接电阻
非阻塞网络可以实现任意端口之间的连接，不会产生如阻塞网络中出现的那种冲突。
3．向量指令编队
将能够组合在一起并行运行的指令称为一个编队。
4．LRU算法
Cache或VM使用的替换算法，选择最近最少被使用的页面（块）被替换。
5．非阻塞网络
可以实现任意端口之间的连接，不会产生入阻塞网络中出现的那种冲突。
三、简答题（本大题共4小题，共25分 ）
1.（5分）存储程序计算机(冯氏机)在系统结构上的主要特点是什么？(答对1点给1分，最多给5分)
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（1）以运算器为中心。
（2）采用存储程序原理。程序和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。
（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。
（4）控制流由指令流产生。
（5）指令由操作码和地址码组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和操作结果的地址。
（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。
2．（5分）在cache容量一定的情况下,增加cache中的块大小能否达到提高cache命中率的效果?为什么?
对于给定的Cache容量，当块大小增加失效率开始是下降，后来反而上升（3分）；失效率下降原因：随着块
增大，间局部性开始起作用。
失效率上升原因：块越大，块数越少，冲突失效增加（2分）。
3．（5分）解释数据相关（局部相关）与控制相关（全局相关）。
当一条指令需要用到前面某条指令的结果，从而不能重叠执行时，就发生了数据相关（3分）。当流水线遇到分支指令和其他能够改变 PC值的指令时，就会发生控制相关（2分）
4．（10分）有哪几种向量处理方式？它们对向量处理机的结构要求有何不同？
(1) 水平处理方式：不适合对向量进行流水处理。（2分）
(2) 垂直处理方式：适合对向量进行流水处理，向量运算指令的源/目向量都放在存储器内，使得流水线运算部件的输入、输出端直接与存储器相联，构成MM型的运算流水线。（4分）
(3) 分组处理方式：适合流水处理。可设长度为n的向量寄存器，使每组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中，流水线的运算部件输入、输出端与向量寄存器相联，构成RR型运算流水线。（4分）
1．（10分）试阐明计算机体系结构、计算机组成以及实现之间的关系。
计算机体系结构研究是计算机系统中软、硬件之间功能的分配以及对传统机器界面的确定。（4分）计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。（3分）计算机的实现是指计算机的物理实现。（3分）
2. （10分）向量流水处理方式有哪几种，各有什么特点?
⑴ 横向处理方式，是标量处理机中常用的思路，即用多个循环完成全部的运算，每次运算只是一个或一对数据，没有体现向量运算的特点和优势。（3分）
⑵ 纵向处理方式，将语句表达算式中一些基本运算分离出来，作为运算单元，每个运算单元实现对数组的纵深运算。可以在每条向量指令的控制下，每次完成N个数据的运算。3分）
⑶ 纵横处理方式，将被处理的数组分割为比较小的数组，在这个较小的数组中进行纵向处理，然后在各小数组处理的基础上进行横向处理。（4分）
2．解释空间并行和时间并行。说明超标量机和超流水线机分别用到了哪种并行，并说明原因。
超标量机：空间并行。超流水线机：时间并行。
3． (10分) 比较段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的优缺点。
段式虚拟存储器优点：
⑴ 适宜于编制相对独立的模块化程序。
⑵ 便于实现程序和数据的共享。
⑶ 程序的动态链接和调度比较容易。
⑷ 便于实现信息保护。
段式虚拟存储器缺点：
⑴ 调入调出时容易产生碎片，使主存储器空间利用不充分。
⑵ 对磁盘存储器的管理比较困难。
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■ 热门推荐答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合；采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓冲站，用于；采用先行控制技术可以实现多条指令的重叠解释执行；3.4设一条指令的执行过程分成取指令、分析指令和；（1）顺序执行方式；；（2）只有“取指令”与“执行指令”重叠；；（3）“取指令”、“分析指令”与“执行指令”重叠；连续执行N条指令所需的时间为：4N△t；（2）连续
答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术是指预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。
采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓冲站，用于平滑主存、指令分析部件、运算器三者之间的工作。这样不仅使它们都能独立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和运算器分别能快速地取得指令和操作数，大幅度地提高指令的执行速度和部件的效率。这些缓冲站都按先进先出的方式工作，而且都是由一组若干个能快速访问的存储单元和相关的控制逻辑组成。
采用先行控制技术可以实现多条指令的重叠解释执行。
3.4 设一条指令的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段，每个阶段所需的时间分别为△t、△t和2△t 。分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。
（1）顺序执行方式；
（2）只有“取指令”与“执行指令”重叠；
（3）“取指令”、“分析指令”与“执行指令”重叠。 解：（1）每条指令的执行时间为：△t＋△t＋2△t＝4△t
连续执行N条指令所需的时间为：4N△t
（2）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t （3）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t
3.5 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。
3.6 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？ 答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段
3.7 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。
3.9列举出下面循环中的所有相关，包括输出相关、反相关、真相关。
for (i=2; i&100; i=i+1)
a[i]=b[i]+a[i]
c[i+1]=a[i]+d[i] a[i-1]=2*b[i]
;/* s1 */ ; /* s2 */ ;/* s4 */ ; /* s1 */ ; /* s2 */
; /* s3 */ ; /* s4 */ ; /* s1‘ */ ; /* s2 ?*/ ; /* s3 ?*/ ; /* s4 ?*/
; /* s3 */
b[i+1]=2*b[i]
解：展开循环两次：
a[i] = b[i] + a[i]
c[i+1] = a[i] + d[i] a[i-1] = 2 * b[i] b[i+1] = 2 * b[i]
a[i+1] = b[i+1] + a[i+1] c[i+2] = a[i+1] + d[i+1] a[i] = 2 * b[i+1] b[i+2] = 2 * b[i+1]
输出相关：无 反相关：无 真相关：S1&S2
由于循环引入的相关：S4&S4’（真相关）、S1’&S4（真相关）、S3’&S4（真相关）、S1&S3’（输出相关、反相关）、S2&S3’（反相关）。
3.10 简述三种向量处理方式，它们对向量处理机的结构要求有何不同？
答 (1)横向处理方式：若向量长度为N，则水平处理方式相当于执行N次循环。若使用流水线，在每次循环中可能出现数据相关和功能转换，不适合对向量进行流水处理。 (2)纵向处理方式：将整个向量按相同的运算处理完毕之后，再去执行其他运算。适合对向量进行流水处理，向量运算指令的源/目向量都放在存储器内，使得流水线运算部件的输入、输出端直接与存储器相联，构成M-M型的运算流水线。 (3)纵横处理方式：把长度为N的向量分为若干组，每组长度为n，组内按纵向方式处理，依次处理各组，组数为「N/n」，适合流水处理。可设长度为n的向量寄存器，使每组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中，流水线的运算部件输入、输出端与向量寄存器相联，构成R-R型运算流水线。
3.11 可采用哪些方法来提高向量处理机的性能？ 答：可采用多种方法：
（1） 设置多个功能部件，使它们并行工作；
（2） 采用链接技术，加快一串向量指令的执行； （3） 采用循环开采技术，加快循环的处理； （4） 采用多处理机系统，进一步提高性能。
3.12 有一指令流水线如下所示
（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；
（2） 该流水线的D瓶颈‖在哪一段？请采取两种不同的措施消除此D瓶颈‖。对于你所给
出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？ 解：（1）
Tpipeline?
?(n?1)?tmax
?(50?50?100?200)?9?200?2200(ns)
（2）瓶颈在3、4段。 ?
变成八级流水线（细分）
Tpipeline?
?50?8?9?50?850(ns)TP?n
重复设置部件
3.13有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需要的时间都是?t，问：
（1） 当在流水线的输入端连续地每?t时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？
（2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2?t输入一个任务，连续处理10个任务
时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？
Tpipeline?23?tTp?n
?E?TP?5?t?50
（3）重复设置部件
吞吐率提高倍数＝
3.14 有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或
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