体系结构简答题Word格式文档下载.docx
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程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
程序员可以是汇编语言、机器语言、编译语言、操作系统等程序员；
所看到的指编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的。
按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。
Amdahl提出的体系结构是传统机器级的体系结构。
即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。
其实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。
5、通用寄存器型计算机系统的功能特性有哪些？
对于通用寄存器型机器，功能特性主要是指：
（1）数据表示：
硬件能直接辩认和处理的数据类型；
（2）寻址规则：
包括最小寻址单元、寻址方式及其表示；
（3）寄存器定义：
包括各种寄存器的定义、数量和使用规则；
（4）指令集：
包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等；
（5）中断系统：
中断的类型和中断响应硬件的功能等；
（6）机器工作状态的定义和切换：
如管态和目态等
（7）存储系统：
主存容量、程序员可用的最大存储容量、编址方式等；
（8）信息保护：
包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持；
（9）I/O结构：
包括I/O联结方式、处理机/存储器与I/O设备间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等。
6、什么是系列机？
采用系列机的计算机设计方法有何优缺点？
在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
具体而言：
就是在体系结构基本不变的情况下，根据不同的性能和不同的器件，研制出多种性能和价格不同的计算机系统。
采用系列机的主要优点:
每条优点0.5分
（1）系列机之间软件兼容，可移植性好。
（2）使用标准的总线规程，实现接插件和扩展功能卡的兼容，便于实现（）EM（由各厂家生产功能卡，然后组装成系统）；
（3）在统—数据结构和指令系统的基础上，便于组成多机系统和网络；
便于实现机间通信。
（4）扩大计算机应用领域，提供用户在同系列的多种机型内选用最合适的机器的可能性
（5）有利于机器的使用、维护和人员培训；
．
（6）有利于提高产量。
降低成本，促进计算机的发展。
采用系列机的主要缺点:
限制了计算机体系结构的发展。
7、如何理解计算机体系结构和计算机实现技术、计算机应用之间关系。
计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现，计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。
计算机实现是指计算机组成的物理实现。
一种体系结构可以有多种组成。
一种组成可以有多种物理实现。
随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越来模糊。
8、存储程序计算机体系结构的特点有哪些？
存储程序计算机体系结构的特点有:
机器以运算器为中心。
采用存储程序原理。
程序（指令）和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。
指令和数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序自身是可以修改的。
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。
操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和操作结果的地址。
数据以二进制编码表示，采用二进制运算。
9、传统存储程序计算机体系结构存在的主要问题及改进方法有哪些？
（1）I/O处理能力
存储程序计算机以运算器为中心、所有部件的操作都由控制器集中控制，这一特点带来了慢速输入输出操作占用快速运算器的矛盾。
为了克服这一缺点，人们先后提出各种输入/输出方式。
（2）存储器空间
把指令和数据放在同一存储器中有优缺点。
现在绝大多数计算机都规定：
在执行过程中不准修改程序。
（3）存储器组织结构
按地址访问的存储器具有结构简单、价格便宜、存取速度快等优点。
但是在数据处理时，往往要求查找具有某种内容特点的信息。
但由于访问存储器的次数较多而影响计算机系统的性能。
采用了通用寄存器的概念、设置高速缓冲存储器Cache、构成了以相联存储器为核心的相联处理机。
（4）并行处理技术
传统的存储程序计算机解题算法是顺序型的，即使问题本身可以并行处理，由于程序的执行受程序计数器控制，故只能是串行、顺序地执行。
改进CPU的组成；
在体系结构上使本来可以并行计算的题目能并行计算；
多机并行处理系统。
（5）指令集的发展
计算机系统指令的种类愈来愈多，这种计算机称为复杂指令集计算机CISC。
日趋庞杂的指令集不但不容易实现，而且还可能降低计算机系统的性能。
10、把指令和数据放在同一存储器中有何优缺点？
把指令和数据放在同一存储器中，
优点：
（1）不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；
（2）程序和指令在执行过程中可被修改，可以编写出灵活的可修改的程序；
（3）对于存取指令和数据仅需一套读＼写和寻址电路，硬件简单；
（4）数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地利用存储空间等。
2分
缺点：
（1）不利于进行程序调试诊断；
（2）不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；
（3）不利于重叠和流水方式的操作。
现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序。
11衡量计算机性能的主要标准是什么?
为什么它是最可靠的衡量标准?
衡量计算机系统性能可采用各种尺度，但最为可靠的衡量尺度是时间或速度。
因为用这两个指标可以反映出计算机对用户输入响应的快慢，以及机器中执行各种操作的快慢，从整体上反映了系统的性能。
时间有多种多样，如CPU时间，系统CPU时间。
系统CPU时间的统计很难做到精确。
当比较具有不同代码的机器时，由于系统CPU时间是不一样的。
因而误差较大。
故采用用户CPU时间作为衡量时间较为妥当。
当然，衡量未加载系统的性能时，采用前述的响应时间较为合适，而衡量量CPU性能时，宜采用户CPU时间。
3分
12计算机系统设计中应遵从哪些定量原理?
分别叙述它们在计算机设计中的指导意义。
计算机系统设计中应遵从以下定量原理：
1.大概率事件优先原则，这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。
2.阿姆达尔定律。
即系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频率或所占总执行时间的比例。
3.程序访问的局部性规律。
其主要反映在时间和空间局部性两个方面，时间局部性是指程序中近期被访问的信息项很可能马上被访问；
空间局部性是指那些在访问地址上相邻近的信息项很可能会被一同访问。
13常用的基准测试程序有哪几种?
叙述它们的主要内容。
常用的基准测试程序有：
（1）采用实际应用程序：
如C语言的编译程序；
如TEX正文处理软件以及SPICE那样的CAD工具软件。
1分
（2）采用核心程序。
这是从实际程序中抽取少量关键循环程序段，并以此来评估性能。
（3）合成测试程序。
它类似于核心程序方法，但这种合成测试程序是人为编制的，较流行的合成测试程序有WHETSTONE和DHRYSTORE两种。
14简述计算机体系结构中提高并行性的技术途径。
计算机体系结构中提高并行性的技术途径：
（1）时间重叠：
多个处理过程在时间上相互错开，轮流重迭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。
2分
（2）资源重复：
根据“以数量取胜”的原则，通过重复地设置资源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计算机系统的性能。
（3）资源共享：
这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
15计算机指令集结构可根据哪些因素进行分类，这些因素中，最关键的因素是什么？
根据五个因素对计算机指令集结构进行分类：
（1）在CPU中操作数的存储方法
（2）指令中显式表示的操作数个数
（3）操作数的寻址方式
（4）指令集所提供的操作类型
（5）操作数的类型和大小
在这五个分类因素中，CPU中操作数的存储方法，即在CPU中用来存储操作数的存储单元的类型，是各种指令集结构之间最主要的区别所在。
16比较CPU对操作数的不同存取方式。
CPU对操作数的不同存取方式的比较如下表：
CPU提供的暂存器每条ALU指令显式表示的操作数个数运算结果目的地访问显式操作数的过程
堆栈0堆栈Push/Pop
累加器1累加器Load/Store累加器
一组寄存器2/3寄存器或存储器Load/Store寄存器或存储器
17试写出C=AB在不同类型指令集结构上的实现方法。
C=AB表达式在这几种类型指令集结构上的实现方法如下表：
堆栈累加器寄存器
（寄存器－存储器）寄存器
（寄存器－寄存器）
PUSHALOADALOADR1,ALOADR1,A
PUSHBADDBADDR1,BLOADR2,B
ADDStoreCStoreC,R1AddR3,R1,R2
POPCStoreC,R3
18通用寄存器指令集结构的分类是什么，分类依据是什么？
两种主要的指令特性能够将通用寄存器指令集结构进一步分类：
ALU指令到底有两个或是三个操作数？
在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻址，也即有多少个存储器操作数。
通用寄存器指令集结构进一步细分为三种类型：
寄存器---寄存器型（R-R:
register-register）1分
寄存器---存储器型（R-M:
register-memory）1分
存储器---存储器型（M-M:
memory-memory）1分
19叙述堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集结构的特点，并比较它们的优缺点。
堆栈型结构中，操作数被默认存放在栈顶，它的优点是其结构具有表达式求值的简单模型（符合逆波兰表示）以及指令字长较短因而能产生良好的代号码密度。
它的主要缺点是不能随机访问，因此很难生成高效代码，此外堆栈口将成为瓶颈口，使性能受到影响。
累加器结构中，操作数之一总是被默认存放在累加器中，它具有可使机器内部状态减至最小并能形成短指令的特点，但由于累加器是唯一的操作数寄存器，将导致对存储器的频繁访问。
寄存器结构中，所有的操作数都必须加以显式说明，以指明其是存放在哪一个寄存器中或是存储器的哪一个单元，这种结构具有生在代码的最通用形式，但由于要对所有操作数所使用的寄存器加以命名，导致指令长度的增加。
20通用寄存器指令集结构有哪些优点？
通用寄存器型指令集结构具有以下主要优点：
（1）使编译器有效地使用寄存器;
（2）在表达式求值方面，比其它类型指令集结构具有更大的灵活性;
（3）寄存器可以用来存放变量。
将变量分配给寄存器，不但可以减少存储器的通信量，加快程序的执行速度（因为寄存器比存储器快），而且和存储器相比，还可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可以有效改进程序的目标代码大小。
21常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？
常见的三种通用寄存器型机器的优缺点如下表：
指令集结构类型优点缺点
寄存器－寄存器型（0,3）简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，指令的执行时钟周期数相近。
和指令中含有对存储器操作数访问的结构相比，指令条数多，因而其目标代码较大。
寄存器－存储器型（1,2）可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码较小。
指令中的操作数类型不同。
在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，限制指令所能够表示的寄存器个数。
每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。
存储器－存储器型（3,3）是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。
指令字长多种多样。
每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问导致存储器访问瓶颈问题。
22一种指令集结构中，寻址方式引入的标准是什么？
在通用寄存器指令集结构中，一般是利用寻址方式指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数，抑或是一个存储器操作数。
指令格式中的地址字段是非常有限的，采用各类寻址方式，基于以下两点权衡考虑：
在地址范围和寻址灵活性之间；
存储器引用数和地址计算复杂之间。
23CISC指令集结构功能设计的主要目标是什么，从哪几个方面考虑，如何理解？
CISC结构追求的目标：
进一步增强原有指令的功能，以及设置更为复杂的新指令，来取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能向硬件功能转移。
强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
可从以下几个方面考虑：
1面向目标程序增强指令功能。
对已有机器的机器语言目标程序及其执行情况进行统计，分析各种指令和各种指令串的使用频度。
2面向高级语言和编译程序改进指令系统。
面向高级语言的优化实现来改进就是尽可能缩短高级语言和机器语言之间的语义差距，以利于支持高级语言编译系统，缩短编译程序的长度和编译所需的时间。
3面向操作系统的优化实现改进指令系统。
可以通过设置支持系统工作状态和访问方式转移的指令、支持进程转移的指令，支持进程同步和互斥的指令等措施，来达到优化操作系统的目的。
24简述RISC结构的设计原则。
RISC结构的设计原则主要有：
选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；
每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；
所有指令长度均相同；
只有Load和Store操作指令访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行1分
以简单有效的方式支持高级语言。
25从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？
CISC指令集结构存在着如下缺点：
（1）在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊，80%的指令只在20%的时间才会用到。
说明CISC系统中存在资源浪费及软硬件功能分配不合理的现象。
（2）CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
（3）CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了负担，不利于单片集成。
（4）CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，运行速度慢。
（5）在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。
针对上述缺点，Patterson等人提出了RISC指令集结构的设想。
26常用的三种表示分支条件的技术及其优缺点是什么？
三种表示分支条件的技术的优缺点如下表：
表示分支条件的技术测试分支条件的方法优点缺点
条件码（CC）在程序的控制下，由ALU操作设置特殊的位。
可以自由设置分支条件CC是额外状态，条件码限制了指令顺序，必须用一条指令将分支条件信息传送到分支指令
条件寄存器根据比较结果测试条件寄存器简单占用了一个寄存器
比较且分支比较操作是分支指令的一部分，通常这种比较是受一定限制的一条指令完成了两条指令的功能分支指令的操作增多
27操作数类型和操作数表示的关系是什么？
操作数类型：
面向应用、面向软件系统所处理的各种数据结构；
操作数表示：
机器硬件能够直接识别、指令系统可以直接调用的那些结构。
数据表示是数据结构的组成元素，是其子集，数据结构要通过软件映象，变换成机器中所具有的各种数据表示来实现。
操作数类型和操作数表示是软硬件主要界面之一；
确定操作数表示是软硬件取舍折衷的问题。
28数据表示引入的标准是什么？
数据表示的方法有哪些？
答案内容：
衡量某种数据表示的引入是否合理和有效，一般从两个方面考虑：
（1）是否提高系统效率，即是否减少数据处理时间和减少所需的存储空间；
（2）看引入的数据表示使用率如何。
操作数类型表示方法有以下两种：
（1）操作数的类型由操作码的编码指定。
（最常见的一种方法）1分
（2）数据可以附上由硬件解释的标记，由这些标记指定操作数的类型，从而选择适当的运算。
29通常有哪几种指令格式？
简述其适用范围。
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