系统结构期末复习.docx

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系统结构期末复习

第一章

1.计算机系统结构的定义：

计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定

3.透明性概念：

本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在

4.计算机系统的多层次模型：

第6级专用应用语言机器特定应用用户（使用特定应用语言）

（经应用程序翻译成高级语言）

第5级通用高级语言机器高级语言程序员（使用通用高级语言）

（经编译程序翻译成汇编语言）

第4级汇编语言机器汇编语言程序员（使用汇编语言）

（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）

第3级操作系统语言机器操作系统用户（使用操作系统原语）

（经原语解释子程序翻译成机器语言）

第2级传统机器语言机器传统机器程序员（使用二进制机器语言）

（由微程序解释成微指令序列）

第1级微指令语言机器微指令程序员（使用微指令语言）

（由硬件译码器解释成控制信号序列）

第0级硬联逻辑硬件设计员

第0级由硬件实现，第1级由微程序实现，第2级至第6级由软件实现，由软件实现的机器称为：

虚拟机

从学科领域来划分：

第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。

它们之间仍有交叉。

第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。

在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。

5.计算机运算速度评价的主要方法：

1）时钟频率

（2）指令执行速度MIPS及KIPS、GIPS、TIPS书P15-16（3）等效指令速度。

（CPI（CyclesPerInstruction）为每条指令所需的平均时钟周期数，IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数。

）

例子：

如果浮点开平方操作FPSQR的比例为2%，它的CPI为100，其他浮点操作的比例为23%，它的CPI＝4.0，其余指令的CPI＝1.33，计算该处理机的等效CPI。

如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。

解：

等效CPI1＝100×2％＋4×23％＋1.33×75％＝3.92

等效CPI2＝4×25％＋1.33×75％＝2.00

•由于改进了仅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍。

6.Amdahl定律的内容及计算（公式：

）书P9-10

内容：

系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

其中：

Sn──全局加速比；To──原执行时间（old）；Tn──新执行时间（new）；Se──被改进部分的局部加速比；Fe──被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。

8.CPU性能公式：

CPU时间=（IC×CPI）/频率书P10-11

9.存储器访问的局部性原理实质：

根据程序运行的最近情况，可以较为精确的预测出最近的将来将要访问哪些指令和数据。

（1）时间局部性：

最近访问过的代码在很短的时间内有可能被再次访问；主要对应于循环语句；

（2）空间局部性：

与刚被访问过的指令或数据相邻的指令或数据有可能马上被访问；主要对应于顺序执行的语句。

访问的局部性原理是构成层次化存储系统的理论基础。

10.计算机系统结构的通用分类：

（1）佛林（Flynn）分类法：

按照指令流和数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类。

具体内容：

书7页有图

（1）单指令流单数据流SISD

（2）单指令流多数据流SIMD（3）多指令流单数据流SIMD

（4）多指令流多数据流SIMD

（2）冯泽云分类法：

用最大并行度来对计算机系统进行分类。

（3）Handler分类法

练习题

一、题4（P32）二、题12（P33）

答案：

一．4：

（N/M）3Ks3：

（N/M）2Ks2：

（N/M）Ks1：

Ks

二、Amdahl定律公式，Sn=20/（20-19Fe）

用三点作图法作出关系曲线

第2章：

指令格式的优化设计

1.操作码的优化表示：

其中操作码的优化表示通常有三种方式，固定长度操作码、哈弗曼编码法、扩展编码法

（1）固定长度编码法：

一般处理机的指令条数通常为几十条或者几百条，用一个8位字节表示，非常规整，其中主要是硬件的译码表示出来也比较简单，目前的IBM生产的采用RISC体系结的计算机大多数都采用这种编码方法，主要缺点是浪费了许多信息量，操作码的长度增加了。

（2）哈弗曼编码的方法：

采用哈弗曼编码的方法来表示操作码，必须先知道各种指令在程序中出现的概率，这个可以通常对已有的典型程序进行分析得到。

所以根据其原理采用最优哈弗曼编码的表示的操作码的最短平均长度为：

H=

其中Pi表示第i中操作码在程序中出现的概率，一共有N中操作码

具体的做法有两种

（1）：

直接利用操作最短平均长度公式来计算

（2）利用哈弗曼树来进行计算操作码的最短平均长度

操作码优化表示（哈弗曼及扩展编码方法）、计算p91-95

2.CISC和RISC的概念及其区别

CISC（复杂指令计算机）：

增强指令功能，设置功能复杂的指令；面向目标代码，面向高级语言，面向操作系统，用一条指令来代替一串指令

RISC（精简指令系统计算机）：

简化指令的功能，只保留功能简单的指令，比较复杂的指令用功能子程序来实现。

CISC与RISC区别：

CISC

RISC

指令系统

复杂庞大

简单精简

指令数

大于200

小于100

指令格式

一般大于4

一般小于4

寻址方式

一般大于4

一般小于4

指令字长

不固定

固定32位

访存指令

不限制

LoadStore

质量使用频率

相差很大

相差不大

指令执行时间

相差很大

一个机器周期之内

优化编译实现

难

容易

代码程度

较短

较长

控制逻辑实现

微程序

硬连接

7.RISC的特点：

（1）简单而统一格式的指令译码。

（2）大部分指令可以单周期执行完成。

（3）只有LOAD和STORE指令可以访问存储器。

（4）简单的寻址方式。

（5）采用延迟转移技术。

（6）采用LOAD延迟技术。

9.RISC的关键技术：

延时转移技术（重点看一下）、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、指令流调整技术、以硬件为主固件为辅

10.减少指令平均执行周期CPI是RISC思想的精华

练习题：

1、假定要将某一执行部件的执行速度提高到原来的10倍，改进后被改进部件执行时间占系统总运行时间的50％。

问：

（1）改进后获得的加速比时多少？

（2）改进前该部件的之下时间占总之下时间的百分比时多少？

2、有一台计算机系统可以按功能分为四级，自下向上表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

每一级的功能各不相同，每一级的指

令都比其下一级的指令在功能上强M倍，即第I级的一条指令能够完成第I－1级的M条指令的计算量。

现若需第I

级的N条指令解释第I＋1级的一条指令，而有一段第Ⅰ级的程序需要运行Ks，问在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各级一段功能等效

的程序各需多长时间？

3、某模型机共有9条指令，使用频度分别为：

0.30、0.24、0.06、0.07、0.07、0.02、0.03、0.20、0.01。

该机

具有若干通用寄存器，主存为16位字长，字节编址，采用按整数边界存取，任何指令必须在一个主存周期中取得，

短指令为寄存器－寄存器型，长指令为寄存器－主存型，主存地址应当能够变址寻址。

（1）、设计优化实用的操作码编码；

（2）、最多可以使用多少个通用寄存器（3）、画出两种指令格式，指出主存变址寻

址的最大相对位移量为多少？

第三章看书

1.存储器的主要性能指标：

速度容量价格

2.存储系统（或存储体系、存储层次）的定义

两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。

这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。

3.命中率与存储系统等效访问速度和效率的计算书133页

4.虚拟存储器是由主存储器和磁盘存储器共同组成。

4.Cache存储系统：

由Cache和主存储器构成

5.虚拟存储器的三种地址映像与变换方式：

页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器

6.cache地址映象：

全相联映象、直接相联映象、组相联映象、位选择组相联映象、段相联映象

7.堆栈型替换算法的定义与堆栈模拟图的应用：

定义：

对任意一个程序的页地址流作两次主存页面数分配，分别分配m个主存页面和n个主存页面，并且有m≤n。

如果在任何时刻t，主存页面数集合Bt都满足关系：

Bt（m）⊆Bt（n）则这类算法称为堆栈型替换算法。

堆栈模拟图的应用（计算题）

例题：

一个虚拟存储系统，采用最久没有使用算法，实存共5页，为2道程序分享，页地址流分别如下

P1=12341321

P2=12342233

试作2个实存分配方案，分别使2道程序满足

（1）命中率相同；

（2）命中次数之和最大。

结论如下

（1）命中率相同的方案是n1=3而n2=2；

（2）命中次数之和最大的方案是n1=4而n2=1。

8.Cache存储系统工作：

基于程序局部性访问原理，是对主存信息的拷贝

9.组相联地址映像及其变换（180页图）

10.cache系统的加速比：

书P93

10.Cache与主存不一致性产生的原因及更新方法：

造成Cache与主存的不一致的原因：

（1）由于CPU写Cache，没有立即写主存

（2）由于IO处理机或IO设备写主存

Cache的更新算法：

（1）写直达法，又称写通过法，WT（Write‐through）：

CPU在执行写操作时，把数据同时写入Cache和主存。

（2）写回法，又称为抵触修改法，WB（Write‐Back）：

CPU的数据只写入Cache，不写入主存。

仅当替换时，才把修改过的Cache块写回到主存。

习题：

Cache存储系统中，Cache的访问周期为10ns，主存储器的访问周期为60ns,每个数据在Cache中平均重复使用4次。

当块的大小为1个字时，存储系统的访问效率只有0.5，现在要提高增加块的大小，使存储系统的访问效率达到0.94。

1、当存储系统的访问效率为0.5时，计算命中率和等效访问周期；

2、为了使存储系统的访问效率达到0.94，命中率和等效访问周期应当为多少？

3、为了使存储系统的访问效率从0.5提高到0.94，块的大小至少要增加到几个字？

第四章

1.IO系统的特点及其相应解决方法

输入输出系统的特点集中反映在异步性，实时性，和与设备无关性三项基本要求上，它们对输入输出系统的组织产生决定性影响。

实时性反映了不同种类设备对于CPU响应时间的区别，采用层次结构的方法来解决

设备无关性表明了标准接口＋非标准设备＋驱动软件的实现途径，采用分类处理的方法来解决。

异步性反映了设备相对于CPU的独立性，采用自治控制的方法来解决。

2.输入输出系统的组织方式

1.自治控制：

输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统，处理机与外围设备之间要有恰当的分工。

2.层次结构：

最内层是输入输出处理机、输入输出通道等中间层是标准接口。

标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接。

3.分类组织：

面向字符的设备，如字符终端、打字机等，面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。

2.3种基本I/O方式：

程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问方式

2.输入输出系统的特点：

输入输出系统是处理机与外界数据交换的通道。

输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。

3.中断的定义：

当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的任何例外