2022年華中科技大學數據科學與大數據技術專業《計算機系統結構》科目期末試卷B(有答案)

2022年華中科技大學數據科學與大數據技術專業《計算機系統結構》

科目期末試卷B(有答案）

一、選擇題

1、最能確保提高虛擬存貯器訪主存的命中率的改進途徑是( )

A.增大輔存容量

B.采用FIFO替換算法并增大頁面

C.改用LRU替換算法并增大頁面

D.改用LRU替換算法并增大頁面數

2、計算機系統多級層次中，從下層到上層，各級相對順序正確的應當是（ ）。

A.匯編語言機器級，操作系統機器級，高級語言機器級

B.微程序機器級，傳統機器語言機器級，匯編語言機器級

C.傳統機器語言機器級，高級語言機器級，匯編語言機器級

D.匯編語言機器級，應用語言機器級，高級語言機器級

3、下列關于虛擬存貯器的說法，比較正確的應當是( )

A.訪主存命中率隨頁面大小增大而提高

B.訪主存命中率隨主存容量增加而提高

C.更換替換算法能提高命中率

D.在主存命中率低時，改用堆棧型替換算法，并增大主存容量，可提高命中率

4、"從中間開始"設計的"中間"目前多數是在( )。

A.傳統機器語言級與操作系統機器級之間

B.傳統機器語言級與微程序機器級之間

C.微程序機器級與匯編語言機器級之間

D.操作系統機器級與匯編語言機器級之間

5、非線性流水線是指( )

A.一次運算中使用流水線中的多個功能段

B.一次運算中要多次使用流水線中的某些功能段

C.流水線中某些功能段在各次運算中的作用不同

D.流水線的各個功能段在各種運算中有不同的組合

6、塊沖突概率最高的Cache地址映象方式是( )

A.段相聯

B.組相聯

C.直接

D.全相聯

7、對系統程序員不透明的應當是（ ）

存儲器

B.系列機各檔不同的數據通路寬度

C.指令緩沖寄存器

D.虛擬存儲器

8、"一次重疊"中消除"指令相關"最好的方法是( )。

A.不準修改指令

B.設相關專用通路

C.推后分析下條指令

D.推后執行下條指令

9、除了分布處理、MPP和機群系統外，并行處理計算機按其基本結構特征可分為流水線

計算機，陣列處理機，多處理機和（ ）四種不同的結構。

A.計算機網絡

B.控制流計算機

C.機群系統

D.數據流計算機

10、下列說法正確的是( )

容量一般不大，命中率不會很高

芯片速度一般比CPU的速度慢數十倍

本身速度很快。但地址變換的速度很慢

存貯器查映象表和訪問物理Cache其間可以流水，使速度與CPU匹配

二、填空題

11、多體存儲器屬________而存儲層次屬________

12、基于存儲器-存儲器的向量指令是指________來自________，兩種結或把而且把操作后

的結果直接寫入存儲器。

13、評價存貯器性能的基本要求是大容量、________和低價格。

14、Cache寫不命中時，只寫入主存儲器，并不將該字所在塊由主存調入Cache。稱此

分配法為________分配法。

15、·按指令流與數據流，體系結構可分類為SISD、________、________和MIMD。

16、段頁式虛擬存儲器的內部地址映象表機構有________表和________表兩部分。

17、LRU替換算法的實現方法有________和________

18、存儲器速度可以用________、________、頻寬來描述。

19、評價虛擬存貯器所用替換算法的好壞，主要是看主存________率的高低，其次看算法

是否易于實現，以及所需的輔助軟硬件的多少。

20、在虛擬存儲器中有三種地址空間，一種是應用程序員用來編寫程序的地址空間，稱為

________，第二種是________的地址空間，第三種是輔存地址空間，也就是磁盤存儲器的地

址空間。它們對應的三種地址分別是________、________主存地址和________。

三、判斷題

21、S2MP主要解決的問題是當前小規模共享存儲多處理器系統在可擴展性上的瓶頸問題。

（ ）

22、OPT是STACK型替換算法。（ ）

23、計算機仿真用微程序解釋，計算機模擬用機器語言解釋。（ ）

24、系列機低檔低價格，但性能太低；高檔機高性能，但價格太高。因此，為獲得高性能

價格比，應盡可能購置性能價格比高的中檔機。（ ）

25、超長指令字（ ）VLIW）結構是將水平型微碼和超標量處理兩者相結合。（ ）

26、二進制數表示數據信息較之二一十進制數表示，其存貯空間利用率低，運算速度要快。

（ ）

27、在存貯體系中，地址的映象與地址的變換沒有區別。（ ）

28、對標量數據來說，并行主存系統的實際頻寬采用多體單字方式的要比采用單體單字方

式組成的高。（ ）

29、中斷響應就是允許其中斷CPU現行程序的運行，轉去對該請求進行預處理，如保存

好運算的數據結果，調出中斷服務程序，準備運行。（ ）

30、浮點數尾數下溢處理采用舍入法還是恒置"1"法，對計算機系統結構是不透明的。（ ）

31、系列機應用軟件應做到向前兼容，力爭向下兼容。（ ）

32、總線仲裁算法有：靜態優先級算法、固定時間片算法、動態優先級算法和先來先去服

務算法。（ ）

33、計算機仿真適合在兩種結構差距大的機器間運用。（ ）

34、磁盤設備在數據傳送時，數據寬度宜采用單字或單宇節。（ ）

35、能做為評價其它置換算法標準的置換算法是RAND。（ ）

四、名詞解釋

36、寫作廢協議：

37、RISC：

38、ROB：

39、控制沖突：

40、寫后寫沖突：

41、時間重疊：

五、簡答題

42、指令的執行可采用順序執行、重疊執行和流水線三種方式，它們的主要區別是什么？

各有何優缺點。

43、機群系統有什么特點？

44、 在“Cache—主存”層次中，主存的更新算法有哪兩種？它們各有什么特點？

45、簡述流水線技術的特點。

46、指令集應滿足哪幾個基本要求？

六綜合題

47、計算機系統字長32位，包含兩個選擇通道和一個多路通道，每個選擇通道上連接了

兩臺磁盤機和兩臺磁帶機，多路通道上連接了了兩臺行式打印機，兩臺讀卡機，10臺終

端，假定各設備的傳輸率如下：

磁盤機：800KBps

磁帶機：200KBps

行打機：6.6KBps

讀卡機：1.2KBps

終 端：1KBps

計算該計算機系統的最大I/O數據傳輸率。

48、假設一臺計算機的I/O處理時間占10%，當其CPU性能改進為原來的100倍，而

I/O性能僅改進為原來的2倍時，系統總體性能會有什么樣的變化？

49、假設某應用程序中有4類操作，通過改進，各操作獲得不同的性能提高。具體數據如

下表所示：

程序中的數量 改進前的執行時間 改進后的執行時間

操作類型

（百萬條指令） （周期） （周期）

操作1 10 2 1

操作2 30 20 15

操作3 35 10 3

操作4 15 4 1

（1）改進后，各類操作的加速比分別是多少？

（2）各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比分別是多少？

（3）4類操作均改進后，整個程序的加速比是多少？

50、設E為交換函數，S為均勻洗牌函數，B為蝶式函數，PM2I為移數函數，函數的自

變量是十進制數表示的處理機編號。現有32臺處理機，其編號為0，1，2，…，31。

（1）分別計算下列互連函數

E（12） S（8） B（9） PM2I（28） E（S（4）） S（E（18））

2+300

（2）用E

00

和S構成均勻洗牌交換網（每步只能使用E和S一次），網絡直徑是多

少？從5號處理機發送數據到7號處理機，最短路徑要經過幾步？請列出經過的處理機編

號。

（3）采用移數網絡構成互連網，網絡直徑是多少？結點度是多少？與2號處理機距

離最遠的是幾號處理機？

參考答案

一、選擇題

1、【答案】D

2、【答案】B

3、【答案】D

4、【答案】A

5、【答案】B

6、【答案】C

7、【答案】D

8、【答案】A

9、【答案】D

10、【答案】D

二、填空題

11、【答案】系統、體系

12、【答案】參加運算操作的向量 存儲器

13、【答案】高速度

14、【答案】不按寫

15、【答案】SIMD，MISD

16、【答案】快 慢

17、【答案】計數器法 比較對法

18、【答案】訪問時間 存儲周期

19、【答案】命中

20、【答案】虛擬地址空間 主存儲器 虛擬地址 輔存地址

三、判斷題

21、【答案】對

22、【答案】對

23、【答案】對

24、【答案】對

25、【答案】對

26、【答案】錯

27、【答案】錯

28、【答案】對

29、【答案】錯

30、【答案】錯

31、【答案】錯

32、【答案】對

33、【答案】錯

34、【答案】錯

35、【答案】對

四、名詞解釋

36、答：在處理器對某個數據項進行寫入之前，它擁有對該數據項的唯一的訪問權。

37、答：精簡指令集計算機

38、答：ReOrder Buffer。前瞻執行緩沖器。

39、答：流水線遇到分支指令或其它會改變PC值的指令所引起的沖突。

40、答：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進入流水線，，指令j和指令i的結果單元

（寄存器或存儲器單元）相同，而且j在i寫入之前就先對該單元進行了寫入操作，從而

導致寫入順序錯誤。這時在結果單元中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的。

41、答：在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地

使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。

五、簡答題

42、答：

（1）指令的順序執行是指指令與指令之間順序串行。即上一條指令全部執行完后，才能

開始執行下一條指令。

優點：控制簡單，節省設備。缺點：執行指令的速度慢，功能部件的利用率低。

（2）指令的重疊指令是在相鄰的指令之間，讓第k條指令與取第k+l條指令同時進行。

重疊執行不能加快單條指令的執行速度，但在硬件增加不多的情況下，可以加快相鄰兩條

指令以及整段程序的執行速度。與順序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制變復雜

了。

（3）指令的流水執行是把一個指令的執行過程分解為若干個子過程，每個子過程由專門

的功能部件來實現。把多個處理過程在時間上錯開，依次通過各功能段，每個子過程與其

它的子過程并行進行。依靠提高吞吐率來提高系統性能。流水線中各段的時間應盡可能相

等

43、答：（1）系統開發周期短。由于機群系統大多采用商品化的PC機、工作站作為結

點，并通過商用網絡連接在一起，系統開發的重點在于通信子系統和并行編程環境上，這

大大節省了研制時間。

（2）可靠性高。機群中的每個結點都是獨立的PC機或工作站，某個結點的失效并不會

影響其它結點的正常工作，而且它的任務還可以傳遞給其它結點完成，從而有效地避免由

于單結點失效引起的系統可靠性降低的問題。

（3）可擴放性強。機群的計算能力隨著結點數量的增加而增大。這主要是得益于機群結

構的靈活性，由于結點之間以松耦合方式連接，機群的結點數量可以增加到成百上千。另

外，機群系統的硬件容易擴充和替換，可以靈活配置。

（4）性能價格比高。由于生產批量小，傳統并行計算機系統的價格均比較昂貴，往往要

幾百萬到上千萬美元。而機群的結點和網絡都是商品化的計算機產品，能夠大批量生產，

成本相對較低，因而機群系統的性能價格比更好。與相同性能的傳統并行計算機系統相比，

機群的價格要低1～2個數量級。

（5） 用戶編程方便。機群系統中，程序的并行化只是在原有的C、C++或Fortran串行

程序中插入相應的通信原語，對原有串行程序的改動有限。用戶仍然使用熟悉的編程環境，

無需適用新的環境。

44、答：

（1）寫直達法。易于實現，而且下一級存儲器中的數據總是最新的。

（2）寫回法。速度快，“寫”操作能以Cache存儲器的速度進行。而且對于同一單元的

多個寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達Cache，不到達主存，因而所

使用的存儲器頻帶較低。

45、答：流水技術有以下特點：

（1） 流水線把一個處理過程分解為若干個子過程，每個子過程由一個專門的功能部件來

實現。因此，流水線實際上是把一個大的處理功能部件分解為多個獨立的功能部件，并依

靠它們的并行工作來提高吞吐率。

（2）流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。

（3）流水線每一個功能部件的前面都要有一個緩沖寄存器，稱為流水寄存器。

（4）流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發

揮流水線的效率。

（5）流水線需要有通過時間和排空時間。在這兩個時間段中，流水線都不是滿負荷工作。

46、答：對指令集的基本要求是：完整性、規整性、高效率和兼容性。

完整性是指在一個有限可用的存儲空間內，對于任何可解的問題，編制計算程序時，指令

集所提供的指令足夠使用。

規整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關的存儲單元的使用、操作

碼的設置等都是對稱的。均勻性是指對于各種不同的操作數類型、字長、操作種類和數據

存儲單元，指令的設置都要同等對待。

高效率是指指令的執行速度快、使用頻度高。

六綜合題

47、解：本題要求計算通道的吞吐率，而且機器有一個多路通道，這就有兩種可能：字節

多路通道和數組多路通道。因為如果將多路通道組織成數組多路通道，某個時刻通道只能

為一臺設備傳送數據，所以它的傳輸率是所有設備的傳輸率的最大值，而如果將它組織成

字節多路通道，該通道的最大傳輸率就是所有設備的傳輸率之和。

所以在本題中，從性能上考慮，應組織成字節多路通道形式。

所以此類通道的最大傳輸率為：

（1）f

BYTE

＝∑fi＝f×2＋f×2＋f×10＝25.6KBps （i＝1..14）

打印機傳輸率讀卡機傳輸率終端傳輸率

（2）兩個選擇通道連接的設備相同，所以只要計算其中一個通道的傳輸率既可。因為磁

盤機的傳輸率大于磁帶機。所以此類通道的傳輸率為：

max{800，200}＝800KBps

所以本系統的最大數據傳輸率為： f＝2×800＋25.6＝1625.6KBps。

系統

48、解：

加速比??

1

16.94

10%/2?90%/100

1

Fe

(1?Fe)?

Se

49、解：根據Amdahl定律

S?

n

可得

操作類型 各類操作的加速比S

操作1 11.1% 2 1.06

各類操作的指令條數在各類操作單獨改進后，

程序中所占的比例F 程序獲得的加速比

i

i

操作2 33.3% 1.33 1.09

操作3 38.9% 3.33 1.37

操作4 16.7% 4 1.14

4類操作均改進后，整個程序的加速比：

S??2.16

n

1

F

(1?F)?

??

i

i

S

i

50、解：（1）共有32個處理機，表示處理機號的二進制地址應為5位。

E（12）＝E（01100）＝01000（8）

22

S（8）＝S（01000）＝10000（16）

B（9）＝B（01001）＝11000（24）

PM2I（28）＝28＋2mod32 ＝4

+3

3

E（S（4））＝E（S（00100））＝01001（9）

00

S（E（18））＝S（E（10010））＝S（10011）＝00111（7）

00

（2）2個結點的均勻洗牌交換網的網絡直徑為2n-1，32個結點的均勻洗牌交換網

n

的網絡直徑為9。

從5號處理機發送數據到7號處理機，最短路徑要經過6步：

00101→00100→01000→01001→10010→10011→00111

（3）網絡直徑是3，結點度是9，與2號處理機距離最遠的是13、15、21、23號

處理機。