计算机系统结构试题（流水线，RISC，并行处理）

试题1 （2000年试题11）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

现采用4级流水线结构分别完成一条指令的取指、指令译码和取数、运算以及送回运算结果4个基本操作，每步操作时间依次为60ns、100ns、50ns和70ns。该流水线的操作周期应为A ns。若有一小段程序需要用20条基本指令完成（这些指令完全适合于流水线上执行）则得到第一条指令结果需 B ns ,完成该段程序需C ns。

在流水线结构的计算机中，频繁执行 D 指令时会严重影响机器的效率。当有中断请求发生时，若采用不精确断点法，则将 E 。

供选择的答案

A：①50 ②70 ③100 ④280

B：①100 ②200 ③280 ④400

C：①1400 ②2000 ③2300 ④2600

D：①条件转移 ②无条件转移 ③算术运算 ④访问存储器

E：①公影响中断响应时间，不影响程序的正确执行。
④ 不仅影响中断响应时间，还影响程序的正确执行。
⑤ 不影响中断响应时间，但影响程序的正确执行。
⑥ 不影响中断响应时间，也不影响程序的正确执行

[解析]

本题主要考查流水线技术。

由流水线技术的基本特征可知，其平均时间取决于流水线最慢慢的操作，所以该流水线的操作周期为100ns。

由题中条件可知，完成1条指令需要4个基本操作，每个操作需要1个周期，执行第1条指令时，还不能充分发挥流水线的技术优势，需要执行4个周期，才能得到第1条指令的运行结果，共需要400ns。由于采用流水线技术，从第1条拽令的第2步基本操作开始，后续指令开始并行执行，可将20条指令的执行过程看作20段流水线，由于基本操作重叠执行，除第1条指令外，每条指令的执行可视为需要1个周期，所以总共需时间为：

400ns+(20-1)×100ns=2300ns

影响流水线性能的主要因素是执行转移指令和共享资源冲突。当流水线性执行转移指令时，会引起流水线的阻塞，因为在该转移指令完成之前，流水线都不能确定下一条提令的地址。

流水线计算机处理中断的方法有不精确断点法和精确断点法两种，采用不精确断点法，当发生中断后，计算机并不立即响应中断，而是先禁止指令再时入流水线，然后等待已在流水线中的所有指令执行完毕，才响应该中断。

[答案]A：③ B：④ C：① D：②

试题2 （1999年试题12）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

计算机执行程序所需时间P，可用P=I·CPI·T来估计，其中I是程序经编译后的机器指令数，CPI是执行每条指令所需的平均机器周期数，T为每个机器周期的时间。RISC计算机是采用A 来提高机器的速度。它的指令系统具有 B 的特点。指令控制部件的构建，C。RISC机器又通过采用 D 来加快处理器的数据处理速度。RISC的指令集使编译优化工作 E 。

供选择答案

A：①虽增加CPI，但更减少I。 ②虽增加CPI，但更减少T。
③虽增加T，但更减少CPI。 ④虽增加I，但更减少CPI。

B：①指令种类少。 ②指令种类多。 ③指令寻址方式多。 ④指令功能复杂

C：①CISC更适于采用硬布线控制逻辑，而RISC更适于采用微程序控制。
②CISC更适于采用微程序控制，而RISC更知于采用硬布线控制逻辑。
③ CISC和RISC都只采用微程序控制。
④ CISC和RISC都只采用硬布线控制逻辑。

D：①多寻址方式 ②大容量内存 ③大量的寄存器 ④更宽的数据总线

E：①更简单 ②更复杂 ③不需要 ④不可能

[解析]

本题考查RISC（精简指令集）计算机有关知识。

在指令系统已确定的情况下，在硬件设计时要尽量使大多数指令能实现"单周期执行"，即在采用流水线组织的计算机中，每个机器周期能完成一条指令功能，而不是一条指令从取指令到完成指定功能只要一个机器周期。另外尽量缩短机器周期，提高主频，从而提高机器运算速度也是硬件设计的主要目标。

采用RISC技术的CPU硬件一般具有以下特点：

（1） CPU中寄存器数量相当多；

（2） 采用流水线组织；

（3） 采用硬布线控制逻辑。

RISC精简了指令系统，使指令种类更少，但各指令所需要的机器周期数相差不大，而且每个机器周期所完成的操作也比较简单，因此没有必要再采用微程序设计。这样，程序经过编译后指令数是增加了，但执行指令的平均机器周期减小了，使得程序的执行时间大大减小。

RISC指令的简单性编译工作简单化。因为在编译时不必在具有类似效果在许多指令中去进行复杂选择，同时寻址方式少，也不必为选择理想的寻址方式而浪费时间，指令长度固定，指令格式少，这使得优化时更换指令或取消指令变得容易。同时，因为大部分指令能够实现单周期执行，使编译程序比较容易调整指令流。

[答案]A：④ B：① C：② D：③ E：①

试题3（1995年试题7）
从下列关于RISC的叙述中，选出5条正确的叙述，并按编码从小到大的次序写在答卷的A～E栏内。

①RISC机器对编译程序的要求比传统的CISC低。

② RISC的CPU工艺水平已达到0.1μm线宽。

③ RISC指令招待采用微程序控制方式

④ RISC的CPU采用流水线技术。

⑤ RISC比传统的CISC的CPU通用寄存器多。

⑥ RISC指令格式和寻址方式的种类少。

⑦ RISC机器用作服务器时性能比传统的CISC低。

⑧ RISC较传统的CISC的CPU存储器之间的操作功能更强。

⑨ RISC 较传统的CISC的CPU存储器操作指令内容更丰富，功能更强。

⑩ RISC只选取一些使用频率高但并不复杂的指令。

[解析]

RISC即精简指令系统计算机，已在工作站和小型机中广泛采用。

①错误。RISC机器选取的是使用频率最高的简单指令和很有用但不复杂的指令，从而达到精简指令系统的目的。这种指令系统不及传统CISC指令系统丰富，使用起来要求有较高的技巧才能充分发挥RISC机器的优点。用户通常用高级语言编程，因而对将高级语言自动翻译成机器指令的编译程序提出了更高的要求，要特别重视编译的优化工作。

②错误。目前超大规模集成电路（VLSI）的工艺水平还达不到0.1μm线宽的程度。RISC的CPU作为VLSI的一种也不可能要求其工艺水平达到如此细的线宽。它是靠改进其CPU内部的系统结构来提高性能的。

③错误。RISC机器精简了指令系统，每个机器周期所完成的操作也较为简单，因此没有秘要再采用微程序方式来控制指令的执行，且硬布线控制逻辑可提高执行的速度。

④正确。RISC机器采用流水线技术，使得多条指令的操作可重叠执行，从而使得绝大多数拽令执行的机器周期数仅为1。

⑤正确。访问存储器要花费较多的时间，RISC机器为了减少访问次数，通常设有较大的通用寄存器堆，内有许多通用寄存器，并且寄存器间的操作功能也列强，这样许多操作都可在寄存器之间进行。

⑥正确。减少指令格式和寻址方式的种类是指令系统精简的一个重要方面，这样便于发挥流水线的效能，使得许多操作可重叠执行。

⑦错误。实际上，目前用作服务器的大多数工作站和小型机都主要采用了RISC的芯片和结构。

⑧正确。见⑤的分析说明。

⑨错误。为了尽可能减少访问内存的次数，大多数RISC机器只有很少且非常简单的存储器操作指令。以采用RISC技术的SPARC处理器芯片为例，它只有两条存储器操作指令，即从内存取数LOAD和向存中存数STORE。

⑩正确。参见对①的分析说明。

[答案]A：④ B：⑤ C：⑥ D：⑧ E：⑩

试题4 （1993年试题11）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

为了大幅度提高处理器的速度，当前处理器中采用了指令及并行处理技术，如超级标量（Superscalar，）它是指 A。流水线组织是实现指令并行的基本技术，影响流水线连续流动的因素除数数据相关性、转移相关性外，还有 B 和C ；另外，要发挥流水线的效率，还必须重点改进 D 。在RISC设计中，对转移相关性一般采用E 方法解决。

供选择答案
A：①并行执行的多种处理安排在一条指令内
⑤ 一个任务分配给多个处理机并行执行
⑥ 采用多个处理部件多条流水线并行执行。
⑦ 增加流水线级数提高并行度

B、 C：①功能部件冲突 ②内存与CPU速度不匹配 ③中断系统 ④访内指令

D：①操作系统 ②指令系统 ③编译系统 ④高级语言

E：①猜测法 ②延迟转移 ③指令预取 ④刷新流水线重填

[解析]
为了大幅度提高处理器的速度，当前处理器中都采用了指令级并行处理技术，如超级标题就采用了用多个处理部件多条流水线来并行执行指令，在超级标量处理机中配置了多个处理部件和指令译码，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口和总线，可以同时执行多悠个操作，以并行处理来提高计算机的速度。

流水线是实现指令并行的基本技术，其基本思想是将一条指令的全过程分为若干段，如取指、译码、取操作数、运算存结果等，每段由不同的功能部件来执行。当流水线各段工作都饱满时，才能达到最高效率。

计算机中不同指令的执行过程并不是规整统一的，有可能不同的指令在不同的操作中用到同一功能部件，使得流水线吵同指令在同一时间访问同一功能部件，这就是功能部个冲突。此时，必然有指令要停下来，从而影响了流水线的效率。

数据有关，即不同甘共苦的指令要访问同一存储单元的数据，如果下一条指令的操作数地址是上一条指令保存结果的地址，那么取操作数的操作就要在保存结果的操作执行完之后才能进行。在遇到条件转移指令时，当条件转移指令进入流水线后，直到下一地址确定之前，流水线不能继续工作而处于等待状态，这也要影响流水线效率。

中断系统工作也和转移情况类似，当中断发生时，要中止当前程序而转入中断程序，此时流水线也会中断。因此数据相关性、转移相关性、功能部件冲突和中断系统都是影响流水线连续流动的因素。好的编译系统产生的目标指令流可使得流水线尽可能满负荷工作。所以，要充分发挥流水线效率，重点是改进编译系统。

在精简指令系统计算机（RISC）中，若遇到成功的条件转移指令或无条件转移指令，流水线使预取的反映指令的失效，从而浪费了机器周期，影响了流水线的效率。为了提高流水线工作效率，RISC一般将转移指令与其前面的一条指令对换位置，使成功的转移总是在紧跟的指令被执行之后发生，从而使预取的指令不作废，这就是延迟转移法。

[答案]A：③ B：① C：③ D：③ E：②

试题5 （1991年试题11）

从供选择的答案中选出应填入下面叙述中的{ }内的正确答案,把编号写在答卷的对应栏内.

减少指令执行周期数是RISC计算机性能提高的基础,它是通过 A 、指令控制部件 B微代码、C 寄存器、 D 寻址方式和限制访问内存来实现的。 E都是与RISC芯片有关的名字。

供选择的答案

A：①超长指令字（VLIW） ②单指令多功能 ③精简指令系统 ④适当扩充指令系统

B：①尽可能多用原有 ②增加 ③软件固化 ④不用

C：①增加 ②减少 ③精选 ④不用

D：①增加 ②减少 ③精选 ④不用

E：①SPARC和MIPS ②SPARC和SCSI
③MIPS和 FLOPS ④MIMD 和EISA
[解析]

精简指令系统计算机RISC（Reducde Instruction SetComputer）通过精简指令系统，拽令控制部件不用微代码，增加寄存器，减少寻址方式和限制访问内存等方法来减少指令执行周期数，从而提高计算机的性能。因此，减少指令执行周期数是RISC计算机性能提高的基础。

SPARC是Sun公司生产的RISC芯片的名称，MIPS是生产RISC芯片R3000的公司的名称，这两种芯片都是著名的RISC芯片。因此，SPARC和MIPS都是与RISC芯片有关的名字。

SCSI是一种小型计算机标准接口，通常用来连接外存储器。FLOPS表示每秒钟浮点运算的次数。MIMD为多指令流多数据流，是一种按弗林分类法分类的计算机系统类型。EISA是一种扩充的工业标准总线系统结构，它们都和RISC芯片无关。

[答案]A：③ B：④ C：① D：③ E：①