计算机系统机构精简答案.docx
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计算机系统机构精简答案
第1章计算机系统结构的基本概念
1.什么是计算机系统的多级层次结构？
从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：
2.硬件和软件在什么意义上是等效的？
在什么意义上是不等效的？
硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。
在实现性能上是不等效的。
软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快。
3.经典计算机系统结构的实质是什么？
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。
4.语言实现的两种基本技术是什么？
翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1级指令，但二者存在着差别：
翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
而解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。
在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。
5.对于通用寄存器型机器来说，机器语言程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？
（1）数据表示
（2）寻址规则
（3）寄存器定义
（4）指令集
（5）中断系统
（6）机器工作状态的定义和切换
（7）存储系统
（8）信息保护
（9）I/O结构
6.什么是软件兼容？
软件兼容有几种？
其中哪一种是软件兼容的根本特征？
同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。
其中向后兼容是软件兼容的根本特征。
7.什么是系列机？
它的出现较好地解决了什么矛盾？
系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
它的出现较好地解决了软件要求环境稳定和硬件、器件技术迅速发展之间的矛盾。
8.对计算机发展非常关键的实现技术有哪些？
（1）逻辑电路
（2）半导体DRAM（动态随机访问存储器）
（3）磁盘
（4）网络
9.实现软件移植的主要途径有哪些？
（1）采用系列机方法
（2）采用模拟与仿真方法
（3）采用统一的高级语言
10.试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。
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。
一种系统结构可以有多种组成；一种组成可以有多种实现。
同一系列机中各种型号的机器具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而具有不同的性能和价格。
11.存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？
（1）以运算器为中心。
（2）采用存储程序原理。
程序和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。
（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。
（4）控制流由指令流产生。
（5）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。
（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。
12.从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两方面着手？
新型系统结构的设计主要从以下两方面着手：
一方面是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例，使系统结构对操作系统、高级语言甚至应用软件提供更多更好的支持；
另一方面则是通过多种途径提高计算机系统结构中的并行性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题都能并行计算和处理，使这种系统结构和组成对算法提供更多、更好的支持。
13.软件技术两个最重要的发展趋势是什么？
（1）程序及数据所使用存储器容量的不断增大。
（2）高级语言的使用越来越广泛，在很多应用领域取代了汇编语言。
14.计算机系统设计人员的技术挑战主要来自哪几个方面？
计算机系统设计人员的技术挑战主要来自系统结构、设计工具、制造工艺、软件、应用和经济等多个方面。
15.一种计算机系统结构的生命周期是怎样的？
计算机的生命周期和系统中各个部分的发展密切相关。
一种新的系统结构的诞生，往往以硬件为标志，它的发展和成熟，是以配套的系统软件和应用为标志的。
一个计算机系统结构，从产生到消亡，大致需要15～20年的时间。
16.用户CPU时间由哪三个因素决定？
用户CPU时间=CPIIC/时钟频率
其中，CPI：
指令时钟数
IC：
程序执行过程中所处理的指令数。
17.什么是测试程序组件？
在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？
选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成一个通用测试程序集合。
这种测试程序集合称为测试程序组件。
在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是基于UNIX的SPEC，其主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95和SPEC2000等。
18.SPEC2000测试程序组件中包括哪几个测试程序组件？
（1）SPECCPU2000：
测试CPU；
（2）SPECviewperf：
用于测试图形系统支持OpenGL库的性能；
（3）SPECapc：
测试图形密集型应用的性能；
（4）SPECSFS：
基于NFS文件系统的文件服务器测试程序；
（5）SPECWeb：
Web服务器测试程序。
19.测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常用测试组件有哪些？
（1）PCMark04包括中央处理器测试组、内存测试组、图形芯片测试组、硬盘测试组等。
（2）BusinessWinstone2004主要用于测试计算机系统商业应用的综合性能。
（3）MultimediaContentCreationWinstone2004主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能。
（4）SiSoftSandraPro2004：
一套功能强大的系统分析评比工具，拥有超过30种以上的分析与测试模组，主要包括CPU、存储器、I/O接口、I/O设备、主板等。
20.常用的专门的性能指标测试程序有哪些？
3DMark03主要测试显卡性能和DirectX的性能。
Prime95是用来估计分布式计算程序的通信情况，可使计算机高负荷运转，所以也用来测试计算机的稳定性。
SuperPi/SuperE是计算圆周率π/自然指数e的软件，通常用来测试CPU的稳定性。
21.计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？
（1）大概率事件优先原则：
对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。
（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）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。
22.根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？
系统加速比依赖于两个因素：
（1）可改进比例：
可改进部分在原系统计算时间中所占的比例。
（2）部件加速比：
可改进部分改进以后的性能提高。
23.从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为哪几级？
从执行程序的角度看，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（InstructionLevelParallelism，ILP）：
并行执行两条或两条以上的指令。
（3）线程级并行（ThreadLevelParallelism，TLP）：
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。
24.从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为哪几级？
从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为：
（1）字串位串：
同时只对一个字的一位进行处理。
（2）字串位并：
同时对一个字的全部位进行处理。
（3）字并位串：
同时对许多字的同一位（称位片）进行处理。
（4）全并行：
同时对许多字的全部或部分位进行处理。
25.Flynn分类法把计算机系统的结构分为哪4类？
（1）单指令流单数据流（SISD，SingleInstructionstreamSingleDatastream）。
（2）单指令流多数据流（SIMD，SingleInstructionstreamMultipleDatastream）。
（3）多指令流单数据流（MISD，MultipleInstructionstreamSingleDatastream）。
（4）多指令流多数据流（MIMD，MultipleInstructionstreamMultipleDatastream）。
26.常见的计算机系统结构分类法有哪两种？
分类的依据是什么？
Flynn分类法：
按照指令流和数据流的多倍性进行分类。
冯氏分类法：
用系统的最大并行度对计算机进行分类。
27.计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？
（1）时间重叠。
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。
（2）资源重复。
通过重复设置资源，尤其是硬件资源，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。
28.多机系统的耦合度可以分为哪几类？
（1）最低耦合：
除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也无共享的联机硬件资源。
（2）松散耦合：
通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。
（3）紧密耦合：
机间物理连接的频带较高，往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。
29.单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？
单机系统和多机系统中，都是按时间重叠、资源重复和资源共享三种技术途径，分别发展为同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统。
30.三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么？
项目
同构型多处理机
异构型多处理机
分布处理系统
目的
提高系统性能
（可靠性、速度）
提高系统使用效率
兼顾效率与性能
技术
途径
资源重复
（机向互连）
时间重叠
（功能专用化）
资源共享
（网络化）
组成
同类型
（同等功能）
不同类型
（不同功能）
不限制
分工方式
任务分布
功能分布
硬件、软件、数据等各种资源分布
工作方式
一个作业由多机
协同并行地完成
一个作业由多机
协同串行地完成
一个作业由一台处理机完成，必要时才请求它机协作
控制形式
常采用浮动控制方式
采用专用控制方式
分布控制方式
耦合度
紧密耦合
紧密、松散耦合
松散、紧密耦合
对互连网络的要求
快速性、灵活性、可重构性
专用性
快速、灵活、简单、通用
第2章计算机指令集结构设计
1.通常可按哪5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。
2.在对计算机指令集结构进行分类的5个因素中，哪一种是各种指令集结构之间最主要的区别？
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。
3.根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为哪几类？
堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构、通用寄存器型指令集结构。
4.堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构分别有什么优缺点？
指令集结构类型
优点
缺点
堆栈型
是一种表示计算的简单模型；指令短小
不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码。
同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现
累加器型
减少了机器的内部状态；指令短小
由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大
寄存器型
易于生成高效的目标代码
所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长
5.现代大多数机器均采用通用寄存器型指令集结构，为什么？
主要有两个方面的原因，一是寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快；其次是对编译器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。
6.通用寄存器型指令集结构可细分为哪三类？
寄存器－寄存器型。
寄存器－存储器型。
存储器－存储器型。
7.三种通用寄存器型指令集结构分别有什么优缺点？
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，各种指令的执行时钟周期数相近
和ALU指令中含存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，因而其目标代码量较大
寄存器－存储器（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，且其目标代码量较小
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，将限制指令所能够表示的寄存器个数。
由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以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将导致存储器访问瓶颈问题
8.从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？
（1）CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
（2）CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，这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设计增加了很大负担，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，因而运行速度慢。
（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系统结构技术来提高系统的性能。
9.增强CISC机器的指令功能主要从哪几方面着手？
（1）面向目标程序增强指令功能。
（2）面向高级语言和编译程序改进指令系统。
（3）面向操作系统的优化实现改进指令系统。
10.RISC的设计原则是什么？
（1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令。
（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成。
（3）所有指令长度均相同。
（4）只有load和store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行。
（5）以简单、有效的方式支持高级语言。
11.RISC和CISC处理机的指令系统结构在指令格式、寻址方式和每条指令的周期数（CPI）三方面有哪些区别？
比较内容
CISC
RISC
指令格式
变长编码
定长编码
寻址方式
各种都有
只有load/store指令可以访存
CPI
远远大于1
为1
12.计算机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。
（3）操作数表示和操作数类型。
（4）寻址方式的表示：
可以将寻址方式编码于操作码中，也可以将寻址方式作为一个单独的域来表示。
（5）指令集格式的设计：
有变长编码格式、固定长度编码格式和混合型编码格式三种。
13.指令中有哪两种表示操作数类型的方法？
（1）操作数的类型由操作码的编码指定，这是最常见的一种方法。
（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。
14．指令中表示寻址方式的主要方法有哪些？
表示寻址方式有两种常用的方法：
（1）将寻址方式编于操作码中，操作码在描述指令功能的同时也描述了相应的寻址方式。
这种方式译码快，但操作码和寻址方式的结合不仅增加了指令的条数，导致了指令的多样性，而且增加了CPU对指令译码的难度。
（2）为每个操作数设置一个地址描述符，由该地址描述符表示相应操作数的寻址方式。
这种方式译码较慢，但操作码和寻址独立，易于指令扩展。
15.指令集格式设计中选择表示寻址方式的依据是什么？
主要由指令集结构所采用的寻址方式种类及其适用范围，以及操作码与寻址方式之间的独立程度来决定。
如果某些指令集结构的指令有1～5个操作数，每个操作数有10种寻址方式，对于这种大规模的操作数和寻址方式组合，通常采用增设地址描述符的方法来描述寻址方式。
对诸如load/store类型指令集结构的指令，由于只有1～3个操作数，而且只有有限几种寻址方式。
通常将寻址方式编码于操作码中。
16.指令集结构中采用多种寻址方式有何优缺点？
在指令集结构中采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条数；但同时也可能增加实现的复杂度和使用这些寻址方式的指令的执行时钟周期数（CPI）。
17.在控制指令中使用PC相对寻址方式有什么优点？
（1）有效地缩短指令中表示目标地址的字段的长度。
（2）使得代码在执行时与它被载入的位置无关。
18.在指令集格式的设计时，通常可选择哪几种指令格式？
（1）变长编码格式。
这种编码方式可以有效减少程序的目标代码大小。
（2）定长编码格式。
这种编码方式可以降低译码的复杂度，提高译码的性能。
（3）混合型编码格式。
兼顾降低目标代码长度和降低译码复杂度。
19.MIPS中有哪些寄存器？
（1）32个通用寄存器。
（2）32个浮点寄存器。
（3）一些特别的寄存器。
20.MIPS有哪几种数据类型？
（1）整数：
字节（8位），半字（16位），字（32位）和双字（64位）。
（2）浮点数：
单精度浮点数（32位），双精度浮点数（64位）。
21.MIPS采用哪几种寻址方式？
MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址两种，立即数字段和偏移量字段都是16位的。
寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的，16位绝对寻址是通过把R0（其值永远为0）作为基址寄存器来完成的。
第3章流水线技术
1.流水技术有哪些特点？
（1）流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。
（2）每个子过程由专用的功能段实现。
（3）各个功能段所需时间应尽量相等。
（4）流水线需要有“通过时间”，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出一个结果。
（5）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。
2.按照流水线所完成的功能来分，流水线可分为哪两类？
（1）单功能流水线：
只能完成一种固定功能的流水线。
（2）多功能流水线：
流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。
3.按照同一时间内各段之间的连接方式来分，流水线可分为哪两类？
（1）静态流水线：
在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
（2）动态流水线：
在同一时间内，当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。
4.按照流水的级别来分，流水线可分为哪三类？
（1）部件级流水线（运算操作流水线）：
把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。
（2）处理机级流水线（指令流水线）：
把解释指令的过程按照流水方式处理。
（3）处理机间流水线（宏流水线）：
由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。
5.按照数据表示来分，流水线可分为哪两类？
（1）标量流水处理机：
处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。
（2）向量流水处理机：
处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。
6.按照流水线中是否有反馈回路来分，流水线可分为哪两类？
（1）线性流水线：
流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
（2）非线性流水线：
流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。
7.在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？
它们分别是什么？
一条指令的执行需要5个时钟周期。
它们分别是：
取指令周期（IF）、指令译码/读寄存器周期（ID）、执行/有效地址计算周期（EX）、存储器/分支完成周期（MEM）、写回周期（WB）。
8.流水线寄存器的作用是什么？
把数据和控制信息从一个流水段传送到下一个流水段。
9.消除流水线的瓶颈段有哪些方法？
（1）细分瓶颈段；
（2）重复设置瓶颈段。
10.评价流水线的性能指标是什么？
（1）吞吐率：
指在单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。
（2）流水线的加速比：
指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。
（3）效率：
指流水线的设备利用率。
11.什么叫相关？
流水线中有哪几种相关？
相关是指两条指令之间存在某种依赖关系。
确定程序中指令之间存在什么样的相关，对于充分发挥流水线的效率有重要的意义。
相关有3种类型，分别是数据相关（也称真数据相关）、名相关、控制相关。
12.什么叫名相关？
名相关有哪两种？
如果两条指令使用相同的名，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。
指令j与指令i之间的名相关有以下两种：
（1）反相关。
如果指令j写的名与指令i读的名相同，则称指令i和j发生了反相关。
反相关指令之间的执行顺序是必须严格遵守的，以保证i读的值是正确的。
（2）输出相关。
如果指令j和指令i写相同的名，则称指令i和j发生了输出相关。
输出相关指令的执行顺序是不能颠倒的，以保证最后的结果是指令j写进去的。
13.流水线冲突有哪几种？
流水线冲突有以下3种类型：
（1）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。
（2）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。
（3）控制冲突：
流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。
14.解决流水线结构冲突的方法有哪些？
（1）流水化功能单元；
（2）资源重复；（3）暂停流水线。
15.为什么流水线设计者有时会允许结构冲突的存在？
主要有两个原因：
一是为了减少硬件开销，二是为了减少功能单元的延迟。
16.定向技术的主要思想是什么？
在发生数据冲突时，后面的指令并不是立即就要用到前一条指令的计算结果。
如果能够将计算结果从其产生的地方直接送到需要它的地方，就可以避免暂停。
当定向硬件检测到前面某条指令的结果寄存器就是当前指令的源寄存器时，控制逻辑会将前面那条指令的结果直接从其产生的地方定向到当前指令所需的位置。
17.流水线中所有数据冲突都可以通过定向技术消除，而不需要暂停吗？
试举例说明。
流水线中有需要暂停的数据冲突。
例如，在下列指令序列中，需要在LW指令之后插入一个暂停周期，然后再用定向技术消除相关。
LD
R1，0（R2）
DADD
R4，R1，R5
AND
R6，R1，R7
XOR
R8，R1，R9
18．根据指令对寄存器的读写顺序，可将数据冲突分为哪三种类型？
（1）写后读冲突
（2）写后写冲突（3）读后写冲突
19．解决流水线数据冲突的方法有哪些？
（1）定向技术：
在某条指令产生一个结果之前，其他指
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