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计算机系统结构考博试题填空题汇总

说明

本文档是在科大打印店版本的基础之上，新增了2010-2013年考题的总结，除给出答案外，还给出了题目的出处参考， 在题目末尾中使用方括号标出。参考的格式说明如下：

题目的主要来源为国防科大计算机学院本科系统结构教材《计算机体系结构》第二版（张晨曦，王志英等编，高等 教育出版社），如无特殊说明，答案中标注的出处皆参考该教材，如 P23 。同时也有少量题目参考了《计算机系统结 构——量化研究方法》中文版第四版（电子工业出版社）与英文版第四版（机械工业出版社），在标注出处时分别使用z 与e作为前缀，如 zP12， eP12 。因为部分题目的答案是根据历年题目相互参考得到的，所以题目在历年考试中 的出现情况也标注在参考中，标注方法为“年份-题号”，如 2013-1.3。

本答案不按照编年组织，而是将所有出现过的知识点做一汇总，所有在历年考试中出现的留白将用 强调 显示。

考题

总体概念

  • 1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出，计算机体系结构是 程序员 所看到的计算机的 属性 ，即 概念性结构 与 功能特性。 [ P5, 2013-1.1, 2008-1.1, 2005-1.1]

  • 所谓 系列机 就是指具有相同的 体系结构 ，但具有不同 组织 和 实现 的一系列不同型号的机器。 我们把不同厂商生产的具有相同 体系结构 的计算机称为 兼容机。 [ P8, 2013-1.2, 2010-1.3, 2008-1.2]

  • 存储程序计算机（冯.诺依曼体系结构）的特点是：机器以 运算器 为中心；采用 存储程序原理； 存储器是按 地址 访问的、 线性 编址的空间； 控制流 由 指令流 产生；指令由 操作码 和 地址码 组成；数据以 二进制 编码表示，采用 二进制 运算。 [ P9, 2012-1.2, 2009-1.1, 2007-1.2]

  • Amdahl定律表明，改进一个部件所获的的 系统性能加速比，受限于该部件 执行时间 相对于 总执行时间 所占的 比例。 [ P33, 2011-1.1, 2010-1.1]

  • 设计指令系统包括 功能设计、 操作数类型、 寻址方式、和 指令系统编码 等方面。 [ P43, 2011-1.9]

  • RISC的含义是 精简指令集计算机， CISC的含义是 复杂指令集计算机。 [ P49, 2008-1.9]

指令级并行与流水线

  • 对于采用指令流水线的处理器，其CPI公式为： 流水线CPI = 流水线理想CPI + 结构相关导致的停顿 + 数据相关导致的停顿 + 控制相关导致的停顿 [ P123, 2013-1.3, 2007-1.3, 2005-1.2]

  • 流水线的链接(chaining)是将流水线计算机中 多 个 功能部件 按照指令的要求连接在一起，构成一个 长流水线，减少各个功能部件流水线 加载/建立 和 排空的时间，提高流水线执行效率的方法。 [ 2013-1.4, 2009-1.3, 2007-1.4]

  • 向量流水线链接(pipeline-chaining)是在有 （真）数据相关 的 两 条指令之间，将产生数据 的部件的 结果/输出 直接送到使用数据的部件的 输入。 [ P112, 2011-1.2, 2010-1.2]

  • 同时多线程是同时实现 指令级 的并行和 线程级 的并行，每拍有 多个指令槽，可以安排 多个线程 的 多条指令 同时流出。 [ 2011-1.6, 2009-1.10, 2005-1.6]

  • 对于顺序指令i和j，指令i和j存在 反相关 是指：指令j 写 的是指令i要 读 的 寄存器 或 存储单元。 [ 2011-1.7, 2007-1.6]

  • 对于顺序指令i和j，指令i和j存在 （真）数据相关 是指：指令j 读 的是指令i要 写 的 寄存器 或 存储单元。 [ 2010-1.7]

  • 乱序流出（out of order issue）是程序中的 指令 不是按照排列的顺序流出，而是当指令需要的资源 得到满足时即 流出。

  • 软流水是一种用于程序中 循环 结构的 指令重组技术， 又称之为 符号化循环展开。 [ 2010-1.6, 2007-1.5, 2005-1.3]

  • 在前瞻（推断，speculation）执行中，指令的流出过程是 顺序 的，执行过程是 乱序的， 得到结果的顺序是 乱序的，但结束过程的确认是 顺序/按序 的。 再定序缓存（re-order buffer）用于保存执行完但尚未 顺序确认 的指令。 [ P158, 2009-1.2]

  • 把分支之前的指令调度到分支之后，或者把分支之后的指令调度到分支之前，称之为 全局 代码调度，其 目的是在保持代码段 数据 相关和 控制 相关不变的前提下，将一段内部包含 控制 相关 的代码段压缩到尽可能最短。 [ 2005-1.4]

互联网络

  • 将网络切成 相等两半，沿切口的 最小通道边数 叫做 等分带宽。 [ P298, 2013-1.6, 2011-1.4, 2009-1.7]

  • 网络中任意两个结点间 最短路径长度 的 最大值 叫做 网络直径。 [ P298, 2012-1.5, 2010-1.8, 2009-1.6, 2006-1.9]

  • 与结点相连的 边 的数目叫做 结点度。 [ P298, 2008-1.6]

  • 虚拟自适应就是将一个 物理通道 分成几个 虚拟通道，根据后续各 虚拟通道 的 忙闲情况 自适应地选择后续通道。 [ 2012-1.7, 2007-1.7]

  • 虫孔路由是把消息包分成小片，片头带 目标地址，所有片以 不可分离 的 流水方式 通过 片缓冲区进行传输的路由方式。 [ 2012-1.8, 2007-1.8]

  • 设互联网络的输入为 x=(x_k-1, ..., x_1, x_0)，则 均匀混洗输出的是 y=(x_k-2, ..., x_1, x_0, x_k-1)， 超立方体输出的是 y=(x_k-1, ..., ~x_i, ..., x_1, x_0)，其中0<=i<=k-1。 [ P299, 2010-1.10, 2005-1.7]

多处理器与同步

  • 大规模机器的同步软件方法有 延迟等待， 排队锁， 组合树，硬件支持方法有 硬件原语 与 排队锁。 [ 2013-1.8, 2012-1.6, 2010-1.9, 2006-1.11]

  • 栅栏同步是强制 所有 到达的进程进行等待，直到 所有 进程到达栅栏，然后 释放全部 进程，从而 形成同步。 [ P313, 2013-1.9， 2007-1.9]

  • 非均匀存储器访问机器（NUMA）的 访问时间 依赖于 数据 在 存储器 中的 存放位置。 [ zP138, eP202, 2013-1.7, 2011-1.5, 2006-1.10]

  • 存储体冲突是在 多体交叉 存储器中，两次独立的存储器访问请求在一个 存储周期 中访问 同一 个 存储体。 [ P220, 2011-1.3, 2009-1.4]

  • home（本地）结点是指存放 数据 的 存储器块 和 对应地址目录项 所在的结点。 [ 2009-1.8, 2008-1.5]

  • 非绑定（nonbinding）预取能返回 最新数据值，并且保证对数据实际的存储器访问返回的是 最新 的数据项。 [ 2009-1.9, 2008-1.8]

  • 拥有者（owner）是指拥有 唯一 的 cache块拷贝 的处理器。 [ P293]

Cache与存储系统

  • Cache的 强制 失效是第一次访问cache块时，该块不在cache中，必须从 下一级 存储器中调入。 [ P191, 2010-1.4]

  • 在采用虚拟存储器的计算机系统中，cache的地址直接由 虚拟地址 转换获得，这就是 虚拟cache。 [ 2009-1.5]

  • 映像规则：把主存中任意一块放置到cache中任意一个位置称为 全相联 映像；把主存中每一块放置到cache中 唯一位置称为 直接 映像； 把主存中每一块放置到cache中唯一一个组中任意位置称为 组相联 映像。 [ P178, 2005-1.5]

  • TLB是一个专用的 高速缓冲器，用于存放近期经常使用的 页表项，其内容是页表部分内容的一个 副本。 [ P227, 2012-1.1, 2007-1.1]

  • 程序的局部性原理是指：程序总是趋向于使用最近使用过的 指令 和 数据，也就是说，程序执行时 所访问存储器地址分布不是 随机的，而是相对地 簇聚。 程序局部性包括 空间局部性 和 时间局部性。 [ 2012-1.3, 2008-1.3]

  • 在存储层次中，”Cache-主存“层次是为了弥补 主存速度 不足，“主存-辅存”层次是为了弥补 主存容量 不足。 [ P175, 2012-1.4, 2011-1.8, 2008-1.4]

  • 器件发生故障的概率与 冗余设备数目 之间的关系可以使用 学习曲线 来说明。 [ 2011-1.10]