2022年华中科技大学数据科学与大数据技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷B(有答案)

2022年华中科技大学数据科学与大数据技术专业《计算机系统结构》

科目期末试卷B(有答案）

一、选择题

1、最能确保提高虚拟存贮器访主存的命中率的改进途径是( )

A.增大辅存容量

B.采用FIFO替换算法并增大页面

C.改用LRU替换算法并增大页面

D.改用LRU替换算法并增大页面数

2、计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是（ ）。

A.汇编语言机器级，操作系统机器级，高级语言机器级

B.微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级

C.传统机器语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级

D.汇编语言机器级，应用语言机器级，高级语言机器级

3、下列关于虚拟存贮器的说法，比较正确的应当是( )

A.访主存命中率随页面大小增大而提高

B.访主存命中率随主存容量增加而提高

C.更换替换算法能提高命中率

D.在主存命中率低时，改用堆栈型替换算法，并增大主存容量，可提高命中率

4、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( )。

A.传统机器语言级与操作系统机器级之间

B.传统机器语言级与微程序机器级之间

C.微程序机器级与汇编语言机器级之间

D.操作系统机器级与汇编语言机器级之间

5、非线性流水线是指( )

A.一次运算中使用流水线中的多个功能段

B.一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段

C.流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同

D.流水线的各个功能段在各种运算中有不同的组合

6、块冲突概率最高的Cache地址映象方式是( )

A.段相联

B.组相联

C.直接

D.全相联

7、对系统程序员不透明的应当是（ ）

存储器

B.系列机各档不同的数据通路宽度

C.指令缓冲寄存器

D.虚拟存储器

8、"一次重叠"中消除"指令相关"最好的方法是( )。

A.不准修改指令

B.设相关专用通路

C.推后分析下条指令

D.推后执行下条指令

9、除了分布处理、MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为流水线

计算机，阵列处理机，多处理机和（ ）四种不同的结构。

A.计算机网络

B.控制流计算机

C.机群系统

D.数据流计算机

10、下列说法正确的是( )

容量一般不大，命中率不会很高

芯片速度一般比CPU的速度慢数十倍

本身速度很快。但地址变换的速度很慢

存贮器查映象表和访问物理Cache其间可以流水，使速度与CPU匹配

二、填空题

11、多体存储器属________而存储层次属________

12、基于存储器-存储器的向量指令是指________来自________，两种结或把而且把操作后

的结果直接写入存储器。

13、评价存贮器性能的基本要求是大容量、________和低价格。

14、Cache写不命中时，只写入主存储器，并不将该字所在块由主存调入Cache。称此

分配法为________分配法。

15、·按指令流与数据流，体系结构可分类为SISD、________、________和MIMD。

16、段页式虚拟存储器的内部地址映象表机构有________表和________表两部分。

17、LRU替换算法的实现方法有________和________

18、存储器速度可以用________、________、频宽来描述。

19、评价虚拟存贮器所用替换算法的好坏，主要是看主存________率的高低，其次看算法

是否易于实现，以及所需的辅助软硬件的多少。

20、在虚拟存储器中有三种地址空间，一种是应用程序员用来编写程序的地址空间，称为

________，第二种是________的地址空间，第三种是辅存地址空间，也就是磁盘存储器的地

址空间。它们对应的三种地址分别是________、________主存地址和________。

三、判断题

21、S2MP主要解决的问题是当前小规模共享存储多处理器系统在可扩展性上的瓶颈问题。

（ ）

22、OPT是STACK型替换算法。（ ）

23、计算机仿真用微程序解释，计算机模拟用机器语言解释。（ ）

24、系列机低档低价格，但性能太低；高档机高性能，但价格太高。因此，为获得高性能

价格比，应尽可能购置性能价格比高的中档机。（ ）

25、超长指令字（ ）VLIW）结构是将水平型微码和超标量处理两者相结合。（ ）

26、二进制数表示数据信息较之二一十进制数表示，其存贮空间利用率低，运算速度要快。

（ ）

27、在存贮体系中，地址的映象与地址的变换没有区别。（ ）

28、对标量数据来说，并行主存系统的实际频宽采用多体单字方式的要比采用单体单字方

式组成的高。（ ）

29、中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请求进行预处理，如保存

好运算的数据结果，调出中断服务程序，准备运行。（ ）

30、浮点数尾数下溢处理采用舍入法还是恒置"1"法，对计算机系统结构是不透明的。（ ）

31、系列机应用软件应做到向前兼容，力争向下兼容。（ ）

32、总线仲裁算法有：静态优先级算法、固定时间片算法、动态优先级算法和先来先去服

务算法。（ ）

33、计算机仿真适合在两种结构差距大的机器间运用。（ ）

34、磁盘设备在数据传送时，数据宽度宜采用单字或单宇节。（ ）

35、能做为评价其它置换算法标准的置换算法是RAND。（ ）

四、名词解释

36、写作废协议：

37、RISC：

38、ROB：

39、控制冲突：

40、写后写冲突：

41、时间重叠：

五、简答题

42、指令的执行可采用顺序执行、重叠执行和流水线三种方式，它们的主要区别是什么？

各有何优缺点。

43、机群系统有什么特点？

44、 在“Cache—主存”层次中，主存的更新算法有哪两种？它们各有什么特点？

45、简述流水线技术的特点。

46、指令集应满足哪几个基本要求？

六综合题

47、计算机系统字长32位，包含两个选择通道和一个多路通道，每个选择通道上连接了

两台磁盘机和两台磁带机，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：800KBps

磁带机：200KBps

行打机：6.6KBps

读卡机：1.2KBps

终 端：1KBps

计算该计算机系统的最大I/O数据传输率。

48、假设一台计算机的I/O处理时间占10%，当其CPU性能改进为原来的100倍，而

I/O性能仅改进为原来的2倍时，系统总体性能会有什么样的变化？

49、假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如

下表所示：

程序中的数量 改进前的执行时间 改进后的执行时间

操作类型

（百万条指令） （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）改进后，各类操作的加速比分别是多少？

（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？

（3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？

50、设E为交换函数，S为均匀洗牌函数，B为蝶式函数，PM2I为移数函数，函数的自

变量是十进制数表示的处理机编号。现有32台处理机，其编号为0，1，2，…，31。

（1）分别计算下列互连函数

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

2+300

（2）用E

00

和S构成均匀洗牌交换网（每步只能使用E和S一次），网络直径是多

少？从5号处理机发送数据到7号处理机，最短路径要经过几步？请列出经过的处理机编

号。

（3）采用移数网络构成互连网，网络直径是多少？结点度是多少？与2号处理机距

离最远的是几号处理机？

参考答案

一、选择题

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、填空题

11、【答案】系统、体系

12、【答案】参加运算操作的向量 存储器

13、【答案】高速度

14、【答案】不按写

15、【答案】SIMD，MISD

16、【答案】快 慢

17、【答案】计数器法 比较对法

18、【答案】访问时间 存储周期

19、【答案】命中

20、【答案】虚拟地址空间 主存储器 虚拟地址 辅存地址

三、判断题

21、【答案】对

22、【答案】对

23、【答案】对

24、【答案】对

25、【答案】对

26、【答案】错

27、【答案】错

28、【答案】对

29、【答案】错

30、【答案】错

31、【答案】错

32、【答案】对

33、【答案】错

34、【答案】错

35、【答案】对

四、名词解释

36、答：在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权。

37、答：精简指令集计算机

38、答：ReOrder Buffer。前瞻执行缓冲器。

39、答：流水线遇到分支指令或其它会改变PC值的指令所引起的冲突。

40、答：考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，，指令j和指令i的结果单元

（寄存器或存储器单元）相同，而且j在i写入之前就先对该单元进行了写入操作，从而

导致写入顺序错误。这时在结果单元中留下的是i写入的值，而不是j写入的。

41、答：在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地

使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

五、简答题

42、答：

（1）指令的顺序执行是指指令与指令之间顺序串行。即上一条指令全部执行完后，才能

开始执行下一条指令。

优点：控制简单，节省设备。缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率低。

（2）指令的重叠指令是在相邻的指令之间，让第k条指令与取第k+l条指令同时进行。

重叠执行不能加快单条指令的执行速度，但在硬件增加不多的情况下，可以加快相邻两条

指令以及整段程序的执行速度。与顺序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制变复杂

了。

（3）指令的流水执行是把一个指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门

的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，每个子过程与其

它的子过程并行进行。依靠提高吞吐率来提高系统性能。流水线中各段的时间应尽可能相

等

43、答：（1）系统开发周期短。由于机群系统大多采用商品化的PC机、工作站作为结

点，并通过商用网络连接在一起，系统开发的重点在于通信子系统和并行编程环境上，这

大大节省了研制时间。

（2）可靠性高。机群中的每个结点都是独立的PC机或工作站，某个结点的失效并不会

影响其它结点的正常工作，而且它的任务还可以传递给其它结点完成，从而有效地避免由

于单结点失效引起的系统可靠性降低的问题。

（3）可扩放性强。机群的计算能力随着结点数量的增加而增大。这主要是得益于机群结

构的灵活性，由于结点之间以松耦合方式连接，机群的结点数量可以增加到成百上千。另

外，机群系统的硬件容易扩充和替换，可以灵活配置。

（4）性能价格比高。由于生产批量小，传统并行计算机系统的价格均比较昂贵，往往要

几百万到上千万美元。而机群的结点和网络都是商品化的计算机产品，能够大批量生产，

成本相对较低，因而机群系统的性能价格比更好。与相同性能的传统并行计算机系统相比，

机群的价格要低1～2个数量级。

（5） 用户编程方便。机群系统中，程序的并行化只是在原有的C、C++或Fortran串行

程序中插入相应的通信原语，对原有串行程序的改动有限。用户仍然使用熟悉的编程环境，

无需适用新的环境。

44、答：

（1）写直达法。易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。

（2）写回法。速度快，“写”操作能以Cache存储器的速度进行。而且对于同一单元的

多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所

使用的存储器频带较低。

45、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。

46、答：对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。

完整性是指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令

集所提供的指令足够使用。

规整性主要包括对称性和均匀性。对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作

码的设置等都是对称的。均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据

存储单元，指令的设置都要同等对待。

高效率是指指令的执行速度快、使用频度高。

六综合题

47、解：本题要求计算通道的吞吐率，而且机器有一个多路通道，这就有两种可能：字节

多路通道和数组多路通道。因为如果将多路通道组织成数组多路通道，某个时刻通道只能

为一台设备传送数据，所以它的传输率是所有设备的传输率的最大值，而如果将它组织成

字节多路通道，该通道的最大传输率就是所有设备的传输率之和。

所以在本题中，从性能上考虑，应组织成字节多路通道形式。

所以此类通道的最大传输率为：

（1）f

BYTE

＝∑fi＝f×2＋f×2＋f×10＝25.6KBps （i＝1..14）

打印机传输率读卡机传输率终端传输率

（2）两个选择通道连接的设备相同，所以只要计算其中一个通道的传输率既可。因为磁

盘机的传输率大于磁带机。所以此类通道的传输率为：

max{800，200}＝800KBps

所以本系统的最大数据传输率为： f＝2×800＋25.6＝1625.6KBps。

系统

48、解：

加速比

1

16.94

10%/290%/100

1

Fe

(1Fe)

Se

49、解：根据Amdahl定律

S

n

可得

操作类型 各类操作的加速比S

操作1 11.1% 2 1.06

各类操作的指令条数在各类操作单独改进后，

程序中所占的比例F 程序获得的加速比

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类操作均改进后，整个程序的加速比：

S2.16

n

1

F

(1F)



i

i

S

i

50、解：（1）共有32个处理机，表示处理机号的二进制地址应为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个结点的均匀洗牌交换网的网络直径为2n-1，32个结点的均匀洗牌交换网

n

的网络直径为9。

从5号处理机发送数据到7号处理机，最短路径要经过6步：

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

（3）网络直径是3，结点度是9，与2号处理机距离最远的是13、15、21、23号

处理机。