这份试卷侧重于考察定量原理、流水线技术、指令级并行（Tomasulo/ROB）、存储层次结构以及I/O系统的核心概念与计算。

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计算机体系结构 模拟试卷#

考试时间：120分钟 满分：100分

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一、单项选择题（每题2分，共20题，40分）#

1. 计算机系统设计中最核心的定量原理是（ ），它指出应将优化资源集中在最常执行的操作上。

   • A. 摩尔定律
   • B. 加快经常性事件
   • C. 程序局部性原理
   • D. 提高并行性

2. 根据CPU性能公式，程序执行时间取决于三个参数：时钟周期时间、指令条数(IC)和（ ）。

   • A. 时钟频率
   • B. 吞吐率
   • C. 每条指令的平均时钟周期数 (CPI)
   • D. 加速比

3. 在MIPS指令系统中，访问存储器只能通过（ ）指令进行。

   • A. MOV和PUSH
   • B. ADD和SUB
   • C. Load和Store
   • D. JMP和BEQ

4. 下列关于哈夫曼编码（Huffman Coding）在指令操作码优化中的描述，正确的是（ ）。

   • A. 它是一种定长编码方式
   • B. 使用频度高的指令分配较短的编码
   • C. 主要目的是为了简化硬件译码逻辑
   • D. 它生成的平均码长比扩展操作码长

5. 在流水线技术中，限制流水线整体速度（时钟频率）的段被称为（ ）。

   • A. 瓶颈段
   • B. 加速段
   • C. 缓冲段
   • D. 冒险段

6. 下列哪种冲突不属于流水线冲突（Pipeline Hazard）？

   • A. 结构冲突
   • B. 数据冲突
   • C. 逻辑冲突
   • D. 控制冲突

7. 在Cray-1向量处理机中，通过允许前后两条具有数据相关（先写后读）的向量指令同时在流水线中处理的技术称为（ ）。

   • A. 循环展开
   • B. 链接技术 (Chaining)
   • C. 寄存器重命名
   • D. 分段开采

8. Tomasulo算法主要用于解决流水线中的哪类问题？（ ）

   • A. 结构冲突
   • B. 控制冲突
   • C. WAR和WAW数据相关
   • D. 精确异常处理

9. 在动态分支预测技术中，BTB（分支目标缓冲器）的主要作用是（ ）。

   • A. 记录分支的历史执行情况
   • B. 尽早提供分支目标地址以减少流出停顿
   • C. 消除所有分支指令
   • D. 替代BHT的功能

10. 下列哪项技术属于软件（编译器）开发的指令级并行技术？（ ）

    • A. 记分牌算法
    • B. Tomasulo算法
    • C. 循环展开 (Loop Unrolling)
    • D. 硬件前瞻执行

11. VLIW（超长指令字）处理器的核心特点是（ ）。

    • A. 硬件动态调度指令
    • B. 依赖编译器静态挖掘指令级并行
    • C. 支持乱序执行
    • D. 硬件自动检测数据冲突

12. 关于Cache的映射规则，块冲突概率最低的是（ ）。

    • A. 直接映射
    • B. 组相联映射
    • C. 全相联映射
    • D. 伪相联映射

13. “强制性不命中”（Compulsory Miss）通常发生在（ ）。

    • A. Cache容量太小
    • B. 数据块第一次被访问时
    • C. 相联度太低
    • D. 多个块竞争同一位置

14. 下列降低Cache不命中率的方法中，主要针对”容量不命中”的是（ ）。

    • A. 增加Cache容量
    • B. 增加块大小
    • C. 提高相联度
    • D. 硬件预取

15. 在虚拟存储器中，TLB（转换旁路缓冲器）的作用是（ ）。

    • A. 存储整个页表
    • B. 加速虚拟地址到物理地址的转换
    • C. 替代主存
    • D. 解决缺页中断

16. 评价I/O系统可靠性的指标MTTF指的是（ ）。

    • A. 平均修复时间
    • B. 平均无故障时间
    • C. 平均失效间隔
    • D. 系统可用性

17. RAID 0 的主要特点是（ ）。

    • A. 具有极高的数据可靠性
    • B. 数据条带化分布，无冗余，性能高
    • C. 采用镜像技术
    • D. 采用奇偶校验技术

18. RAID 5 采用的冗余技术是（ ）。

    • A. 镜像备份
    • B. 专用奇偶校验盘
    • C. 分布式奇偶校验
    • D. 海明码校验

19. 在总线通信中，没有统一时钟，依靠握手信号实现定时控制的方式是（ ）。

    • A. 同步总线
    • B. 异步总线
    • C. 分离事务总线
    • D. 串行总线

20. 通道处理机（Channel）的主要功能是（ ）。

    • A. 负责指令的译码
    • B. 负责算术逻辑运算
    • C. 独立执行I/O程序，管理I/O操作
    • D. 负责虚拟内存管理

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二、判断题（每题1分，共15题，15分）#

1. ( ) Amdahl定律表明，仅对系统中的一部分进行优化，其整体加速比会随着该部分比例的增加而无限增加。
2. ( ) 软流水（Software Pipelining）和循环展开都是由硬件自动完成的优化技术。
3. ( ) 流水线技术可以减少单条指令的执行时间（延迟）。
4. ( ) 定向技术（Forwarding/Bypassing）可以消除所有的RAW（写后读）数据冲突，无需暂停流水线。
5. ( ) 延迟槽技术中，放入延迟槽的指令必须与分支指令无关，或者不影响程序的正确性。
6. ( ) 向量处理机中，只要不出现功能部件冲突和向量寄存器冲突，多条向量指令可以并行执行。
7. ( ) Tomasulo算法通过寄存器重命名（使用保留站）消除了WAR和WAW伪相关。
8. ( ) ROB（重排序缓冲）的主要作用是支持指令的乱序执行和顺序提交，以支持精确异常。
9. ( ) 增加Cache的块大小（Block Size）一定会降低Cache的不命中率。
10. ( ) 写回法（Write Back）比写直达法（Write Through）通常具有更高的写性能，但控制更复杂。
11. ( ) 虚拟存储器中的页面大小通常比Cache中的块大小要大得多。
12. ( ) 在磁盘阵列中，RAID 1的磁盘利用率最高，成本最低。
13. ( ) 异步总线适合连接速度差异较大或距离较远的设备。
14. ( ) DMA（直接存储器访问）方式下，CPU需要干预数据传送的每一个字。
15. ( ) 在多级Cache设计中，二级Cache（L2）的主要设计目标是降低全局不命中率。

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三、简答分析题（共2题，25分）#

1. 流水线冲突与动态调度（12分） 简述流水线中的三种主要冲突类型（结构、数据、控制），并结合Tomasulo算法，解释它是如何解决**WAR（读后写）和WAW（写后写）**冲突的。

2. Cache性能优化（13分） 导致Cache不命中的原因通常被称为”3C”。 (1) 请列出这”3C”分别代表什么？（3分） (2) 针对这三种不命中，分别列举一种有效的硬件或软件优化方法。（6分） (3) 简述”写缓冲器”（Write Buffer）在写直达（Write Through）Cache中的作用。（4分）

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四、计算综合题（每题10分，共2题，20分）#

1. 流水线性能计算（10分） 假设有一条4段线性流水线，各段执行时间分别为：

• $S_1 = 2ns$
• $S_2 = 6ns$ （瓶颈段）
• $S_3 = 2ns$
• $S_4 = 2ns$

(1) 计算该流水线的最大吞吐率 $TP_{max}$。（3分） (2) 若连续输入10个任务，计算其实际吞吐率 $TP$。（3分） (3) 若将瓶颈段$S_2$细分为3个子段（每个子段$2ns$），改进后的流水线最大吞吐率是多少？（4分）

2. Amdahl定律应用（10分） 假设某计算机系统中，浮点运算指令占总指令数的30%。 (1) 如果设计一种新的浮点运算部件，使其运算速度提高到原来的3倍。请根据Amdahl定律计算整个系统的加速比。（5分） (2) 如果希望整个系统的性能提高到原来的2倍，浮点运算部件的速度需要提高到原来的多少倍？（5分）

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参考答案概览#

一、单选题 1-5: BCCBA 6-10: CBCBC 11-15: BCBAB 16-20: BBCCC

二、判断题 1-5: ××××√ (注：Q3流水线提高吞吐率，不减少单条指令延迟；Q4旁路不能解决Load-Use冲突) 6-10: √√√×√ (注：Q9增加块大小可能导致冲突不命中增加) 11-15: √×√×√

三、简答题要点

1. 冲突： 结构冲突（资源不够）、数据冲突（数据依赖）、控制冲突（分支跳转）。 Tomasulo解决： 通过寄存器重命名。它使用保留站（Reservation Stations）来代替逻辑寄存器持有操作数。当指令流出时，如果操作数未就绪，保留站会记录产生该数据的来源（Tag），而不是寄存器名。这样，后续指令写入同一寄存器（WAW）或读取旧值（WAR）时，实际上是在操作不同的保留站或物理位置，从而消除了这就名相关。
2. 3C： 强制性（Compulsory）、容量（Capacity）、冲突（Conflict）。 优化： 强制->增加块大小/预取；容量->增加Cache容量；冲突->提高相联度/Victim Cache。 Write Buffer： 减少CPU写停顿。CPU写入Buffer后即可继续执行，无需等待写入主存完成。

四、计算题要点

1. (1) $TP_{max} = 1 / max(\Delta t_i) = 1 / 6ns$。 (2) 总时间 $T = \sum \Delta t + (n-1)max(\Delta t) = (2+6+2+2) + 9 \times 6 = 12 + 54 = 66ns$。 $TP = 10 / 66 \approx 0.15$ 任务/ns。 (3) 细分后最长段为 $2ns$。$TP_{new\_max} = 1 / 2ns$。
2. (1) $Fe = 0.3, Se = 3$。 $Speedup = 1 / ((1-0.3) + 0.3/3) = 1 / (0.7 + 0.1) = 1/0.8 = 1.25$。 (2) $2 = 1 / ((1-0.3) + 0.3/Se)$ => $0.7 + 0.3/Se = 0.5$ => $0.3/Se = -0.2$。 无解（不可能达到）。因为即使浮点部件速度无限大，最大加速比 = $1/0.7 \approx 1.43 < 2$。