计算机系统结构知识点总结文档格式.docx
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按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。
向后（前）兼容：
按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。
兼容机：
由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
模拟：
用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。
仿真：
用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。
并行性：
计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
它包括同时性与并发性两种含义。
时间重叠：
在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠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。
资源重复：
在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。
通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。
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。
耦合度：
反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。
紧密耦合系统：
又称直接耦合系统。
在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。
松散耦合系统：
又称间接耦合系统，一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。
计算机之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行。
异构型多处理机系统：
由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，它们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。
同构型多处理机系统：
由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。
堆栈型机器：
CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：
CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
通用寄存器型机器：
CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
CISC：
复杂指令集计算机
RISC：
精简指令集计算机
寻址方式：
指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。
一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。
数据表示：
硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据结构。
流水线：
将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。
单功能流水线：
指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线：
指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。
静态流水线：
指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。
当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。
动态流水线：
指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。
它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
部件级流水线：
把处理机中的部件进行分段，再把这些部件分段相互连接而成。
它使得运算操作能够按流水方式进行。
这种流水线也称为运算操作流水线。
处理机级流水线：
又称指令流水线。
它是把指令的执行过程按照流水方式进行处理，即把一条指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立的功能部件中执行。
处理机间流水线：
又称为宏流水线。
它是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。
前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后一个处理机的输入。
线性流水线：
指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。
数据通过流水线中的各段时，每一个段最多只流过一次。
非线性流水线：
指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。
顺序流水线：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。
乱序流水线：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。
这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。
吞吐率：
在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。
流水线的加速比：
使用顺序处理方式处理一批任务所用的时间与按流水处理方式处理同一批任务所用的时间之比。
流水线的效率：
即流水线设备的利用率，它是指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值。
数据相关：
考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：
（1）指令j使用指令i产生的结果；
（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。
名相关：
如果两条指令使用了相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关。
控制相关：
是指由分支指令引起的相关。
它需要根据分支指令的执行结果来确定后面该执行哪个分支上的指令。
反相关：
考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果指令j所写的名与指令i所读的名相同，则称指令i和j发生了反相关。
输出相关：
考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果指令j和指令i所写的名相同，则称指令i和j发生了输出相关。
换名技术：
名相关的两条指令之间并没有数据的传送，只是使用了相同的名。
可以把其中一条指令所使用的名换成别的，以此来消除名相关。
结构冲突：
因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。
数据冲突：
当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。
控制冲突：
流水线遇到分支指令或其它会改变PC值的指令所引起的冲突。
定向：
用来解决写后读冲突的。
在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。
如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。
写后读冲突：
考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，指令j用到指令i的计算结果，而且在i将结果写入寄存器之前就去读该寄存器，因而得到的是旧值。
读后写冲突：
考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，指令j的目的寄存器和指令i的源操作数寄存器相同，而且j在i读取该寄存器之前就先对它进行了写操作，导致i读到的值是错误的。
写后写冲突：
考虑两条指令i和j，且i在j之前进入流水线，，指令j和指令i的结果单元（寄存器或存储器单元）相同，而且j在i写入之前就先对该单元进行了写入操作，从而导致写入顺序错误。
这时在结果单元中留下的是i写入的值，而不是j写入的。
链接技术：
具有先写后读相关的两条指令，在不出现功能部件冲突和Vi冲突的情况下，可以把功能部件链接起来进行流水处理，以达到加快执行的目的。
分段开采：
当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，然后循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。
半性能向量长度：
向量处理机的性能为其最大性能
的一半时所需的向量长度。
向量长度临界值：
向量流水方式的处理速度优于标量串行方式的处理速度时所需的向量长度的最小值。
指令级并行：
简称ILP。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令调度：
通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：
是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
保留站：
在采用Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件中，在运算部件的入口设置的用来保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令（相关信息）。
CDB：
公共数据总线。
动态分支预测技术：
是用硬件动态地进行分支处理的方法。
在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。
如果分支行为发生了变化，预测结果也跟着改变。
BHT：
分支历史表。
用来记录相关分支指令最近一次或几次的执行情况是成功还是失败，并据此进行预测。
分支目标缓冲：
是一种动态分支预测技术。
将执行过的成功分支指令的地址以及预测的分支目标地址记录在一张硬件表中。
在每次取指令的同时，用该指令的地址与表中所有项目的相应字段进行比较，以便尽早知道分支是否成功，尽早知道分支目标地址，达到减少分支开销的目的。
前瞻执行：
解决控制相关的方法，它对分支指令的结果进行猜测，然后按这个猜测结果继续取指、流出和执行后续的指令。
只是指令执行的结果不是写回到寄存器或存储器，而是放到一个称为ROB的缓冲器中。
等到相应的指令得到“确认”（即确实是应该执行的）后，才将结果写入寄存器或存储器。
ROB：
ReOrderBuffer。
前瞻执行缓冲器。
超标量：
一种多指令流出技术。
它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。
超流水：
在一个时钟周期内分时流出多条指令。
超长指令字：
VLIW处理机在每个时钟周期流出的指令条数是固定的，这些指令构成一条长指令或者一个指令包，在这个指令包中，指令之间的并行性是通过指令显式地表示出来的。
循环展开：
是一种增加指令间并行性最简单和最常用的方法。
它将循环展开若干遍后，通过重命名和指令调度来开发更多的并行性。
多级存储层次：
采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的内容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中内容的子集。
目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。
全相联映象：
主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。
直接映象：
主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。
组相联映象：
主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（Cache分成若干组，每组由若干块构成）。
替换算法：
由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。
这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
LRU：
选择最近最少被访问的块作为被替换的块。
实际实现都是选择最久没有被访问的块作为被替换的块。
写直达法：
在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
写回法：
只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。
按写分配法：
写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。
不按写分配法：
写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache。
命中时间：
访问Cache命中时所用的时间。
失效率：
CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。
失效开销：
CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。
强制性失效：
当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。
容量失效：
如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。
冲突失效：
在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。
线路交换：
在线路交换中，源结点和目的结点之间的物理通路在整个数据传送期间一直保持连接。
分组交换：
把信息分割成许多组（又称为包），将它们分别送入互连网络。
这些数据包可以通过不同的路径传送，到目的结点后再拼合出原来的数据，结点之间不存在固定连接的物理通路。
静态互连网络：
各结点之间有固定的连接通路、且在运行中不能改变的网络。
动态互连网络：
由交换开关构成、可按运行程序的要求动态地改变连接状态的网络。
互连网络：
一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统中结点之间的相互连接。
在拓扑上，互连网络是输入结点到输出结点之间的一组互连或映象。
互连函数：
用变量x表示输入，用函数f（x）表示输出。
则f（x）表示：
在互连函数f的作用下，输入端x连接到输出端f（x）。
它反映了网络输入端数组和输出端数组之间对应的置换关系或排列关系，所以互连函数有时也称为置换函数或排列函数。
网络直径：
指互连网络中任意两个结点之间距离的最大值。
结点度：
指互连网络中结点所连接的边数（通道数）。
等分带宽：
把由N个结点构成的网络切成结点数相同（N/2）的两半，在各种切法中，沿切口边数的最小值。
对称网络：
从任意结点来看，网络的结构都是相同的。
集中式共享多处理机：
也称为对称式共享存储器多处理SMP。
它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的，
分布式共享多处理机：
它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。
但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。
这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。
通信延迟：
通信延迟＝发送开销＋跨越时间＋传输时间＋接收开销。
计算/通信比：
反映并行程序性能的一个重要的度量。
在并行计算中，每次数据通信要进行的计算与通信开销的比值。
多Cache一致性：
多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。
监听协议：
每个Cache除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。
Cache通常连在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。
目录协议：
用一种专用的存储器所记录的数据结构。
它记录着可以进入Cache的每个数据块的访问状态、该块在各个处理器的共享状态以及是否修改过等信息。
写作废协议：
在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权。
写更新协议：
当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。
这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。
栅栏同步：
栅栏强制所有到达该栅栏的进程进行等待。
直到全部的进程到达栅栏，然后释放全部进程，从而形成同步。
旋转锁：
处理机环绕一个锁不停地旋转而请求获得该锁。
同时多线程：
是一种在多流出、动态调度的处理器上同时开发线程级并行和指令级并行的技术，它是多线程技术的一种改进。
细粒度多线程技术：
是一种实现多线程的技术。
它在每条指令之间都能进行线程的切换，从而使得多个线程可以交替执行。
通常以时间片轮转的方法实现这样的交替执行，在轮转的过程中跳过处于停顿的线程。
粗粒度多线程技术：
只有线程发生较长时间的停顿时才切换到其他线程。
SMP：
对称式共享存储器多处理
MPP：
即大规模并行处理，按照当前的标准，具有几百台～几千台处理机的任何机器都是大规模并行处理系统。
机群：
是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。
它由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网互连在一起，协同完成特定的并行计算任务。
从用户的角度来看，机群就是一个单一、集中的计算资源。
单一系统映象：
包含四重含义。
（1）单一系统。
尽管系统中有多个处理器，用户仍然把整个机群视为一个单一的计算系统来使用。
（2）单一控制。
逻辑上，最终用户或系统用户使用的服务都来自机群中唯一一个位置。
（3）对称性。
用户可以从任一个结点上获得机群服务，也就是说，对于所有结点和所有用户，除了那些具有特定访问权限的服务与功能外，所有机群服务与功能都是对称的。
（4）位置透明。
用户不必了解真正提供服务的物理设备的具体位置。
高可用性机群：
当系统中某些结点出现故障的情况下，仍能继续对外提供服务。
它采用冗余机制，当系统中某个结点由于软、硬件故障而失效时，该结点上的任务将在最短的时间内被迁移到机群内另一个具有相同功能与结构的结点上继续执行。
负载均衡机群：
机群能够根据系统中各个结点的负载情况实时地进行任务分配。
它专门设置了一个重要的监控结点，负责监控其余每个工作结点的负载和状态，并根据监控结果将任务分派到不同的结点上。
高性能计算机群：
通过高速的商用互连网络，将数十台乃至上千台PC机或工作站连接在一起，可以提供接近甚至超过传统并行计算机系统的计算能力，但其价格却仅是具有相同计算能力的传统并行计算机系统的几十分之一。
Beowulf机群：
使用普通的硬件加上Linux操作系统、再加上GNU开发环境以及PVM/MPI共享库所构建的机群。
它一方面集中了那些相对较小的机器的计算能力，能够以很高的性能价格比提供与大型机相当的性能，另一方面也保证了软件环境的稳定性。
简答题
1.2试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。
答：
如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。
确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。
选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是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实现。
1.3Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。
把计算机系统的结构分为：
单指令流单数据流SISD单指令流多数据流SIMD多指令流单数据流MISD多指令流多数据流MIMD
1.4计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？
并说出它们的含义。
（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU性能公式。
执行一个程序所需的CPU时间=IC×
CPI×
时钟周期时间。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
1.5分别从执行程序的角度和处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？
从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：
（1）字串位串：
每次只对一个字的一位进行处理。
这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；
（2）字串位并：
同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。
已开始出现并行性；
（3）字并位串：
同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。
这种方式具有较高的并行性；
（4）全并行：
同时对许多字的全部位或部分位进行处理。
这是最高一级的并行。
从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：
（1）指令内部并行：
单条指令中各微操作之间的并行；
（2）指令级并行：
并行执行两条或两条以上的指令；
（3）线程级并行：
并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位；
（4）任务级或过程级并行：
并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元；
（5）作业或程序级并行：
并行执行两个或两个以上的作业或程序。
2.1区别不同指令集结构的主要因素是什么？
根据这个主要因素可将指令集结构分为哪3类？
区别不同指令集结构的主要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元。
据此可将指令系统结构分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。
2.2常见的3种通用寄存器型指令集结构的优缺点有哪些？
指令系统结构类型
优点
缺点
寄存器-寄存器型
（0，3）
指令字长固定，指令结构简洁，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。
与指令中含存储器操作数的指令系统结构相比，指令条数多，目标代码不够紧凑，因而程序占用的空间比较大。
寄存器-存储器型
（1，2）
可以在ALU指令中直接对存储器操作数进行引用，而不必先用load指令进行加载。
容易对指令进行编码，目标代码比较紧凑。
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操作数不对称。
在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个数。
指令的执行时钟周期数因操作数的来源（寄存器或存储器）不同而差别比较大。
存储器-存储器型
（2，2）或（3，3）
目标代码最紧凑，不需要设置寄存器来保存变量。
指令字长变化很大，特别是3操作数指令。
而且每条指令完成的工作也差别很大。
对存储器的频繁访问会使存储器成为瓶颈。
这种类型的指令系统现在已不用了。
2.3指令集应满足哪几个基本要求？
对指令集的基本要求是：
完整性、规整性、高效率和兼容性。
完整性是指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令足够使用。
规整性主要包括对称性和均匀性。
对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。
均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待。
高效率是指指令的执行速度快、使用频度高。
2.4指令集结构设计所涉及的内容有哪些？
（1）指令集功能设计：
主要有RISC和CISC两种技术发展方向；
（2）寻址方式的设计：
设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方
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