《计算机系统结构》往年考题.docx

计算机系统结构是计算机科学中的核心课程，主要研究计算机硬件如何高效地执行软件。这份考题涵盖了多个关键概念，包括指令流水线、缓存系统、多处理机架构、网络互连和性能评估等。 1. 指令流水线：指令流水线技术允许CPU在不同阶段并行处理指令，提高处理器效率。独立的指令缓存和数据缓存可以减少访存冲突，提高数据获取速度，从而提升整体性能。 2. 指令动态调度：这是一种优化技术，通过调整指令执行顺序来避免数据依赖导致的 stalls。寄存器重命名用于解决物理寄存器的命名冲突，尤其是消除由乱序执行产生的数据相关，如写后读和写后写冲突。 3. 时间与空间局部性：时间局部性指的是最近使用的数据很可能在未来还会被再次使用；空间局部性是指连续的数据或指令会被相继访问。这两者是设计缓存的基础，因为缓存利用这些特性来提高命中率，减少主存访问时间。 4. 虚拟地址缓存问题：直接使用虚拟地址索引缓存可能导致缓存一致性问题，因为同一虚拟地址可能映射到不同的物理地址，尤其是在多道程序环境下。 5. 缓存一致性：多处理机共享缓存时，为了保持数据的一致性，需要遵循特定协议，如MESI或MOESI协议，确保每个处理器看到相同的数据视图。 6. 填空题涉及网络互连、处理器链接、向量处理、CPI计算等，这些都是计算机系统结构中复杂而重要的概念。例如，均匀函数相联是一种缓存寻址方式，混洗变换用于网络连接，向量处理器的性能优化，以及CPI（每条指令周期数）的计算，都是评估系统性能的关键指标。 7. CPI是衡量处理器效率的指标，不命中率、延迟时间和命中代价会影响CPI。在给定的多处理机场景下，计算加速比有助于理解并行计算的优势。 8. 五段流水线CPU的延迟时间和频率计算，以及非线性流水线优化调度，涉及到流水线设计和性能优化。启动循环和禁止集是流水线调度的关键参数。 9. 指令系统设计包括指令类型、字长和寻址范围，这决定了处理器的灵活性和效率。计算可编址寄存器数量是设计中的一个重要步骤。 10. 缓存的全局命中率是评价缓存性能的重要指标，计算方法考虑了各级缓存的缺失次数。 11. 块地址的计算涉及到缓存组织方式，如直接映射和组相联，以及映射策略。 12. MIPS架构的改进方案中，改变指令长度、增加指令Cache、增加流水线段数、取消气泡以及增加寄存器数量都是系统结构的修改，而减少定向相关逻辑和增加指令集支持属于实现层面的改进。 解答题考察了优化方案的性能评估和加速比计算，以及在并行机上的性能表现。优化方案的平均CPI和加速比分析可以帮助我们理解性能提升的程度。 这份考题全面覆盖了计算机系统结构的主要知识点，从微观的指令级优化到宏观的并行计算，深入探讨了计算机硬件如何高效支持软件运行的各个方面。