福州大学计算机系统结构复习提纲.docx

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福州大学计算机系统结构复习提纲

计算机系统结构复习提纲

第一章计算机系统结构导论

计算机系统结构、计算机组成、计算机实现所包含的内容（选择）；

答：

计算机系统结构是对计算机系统中各级界面的定义及其上下功能分配；

计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、地板的划分和连接，专用期间的设计，微组装技术，信号传输，电源，冷却装置及整机装配技术。

计算机系统设计思路（填空、选择）；

答：

从多级层次结构出发，计算机系统的设计按照多级层次结构的上、下、中开始设计，分别可以有“由上往下”，“由下往上”，“由中间开始”三种不同的设计方法。

1.由上往下：

用于专用计算机设计，较少采用

2.由下往上：

70-80年代使用，较少采用

3.从中间开始：

用于系列机设计

系列机和兼容机的概念（选择、填空）；

答：

系列机：

在软、硬件街面上设定好一种系统结构，之后软硬件设计者根据速度、性能、价格的不同选择不同器件和硬件组成。

兼容机：

不同公司厂家生产的具同一系统结构的计算机。

向上（下）兼容：

指按某一挡机器编制的软件不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。

（新旧上看）

向前（后）兼容：

在按某一时期投入市场的该型号机器上编制的软件，不加修改就能运行于在它之前（后）投入市场的机器上。

（时间上看）

计算机系统设计步骤（选择、填空）；

答：

1.需求分析：

在应用环境，所用语言的种类及特性对OS的特殊要求；所用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面

2.需求说明：

主要包括设计准则、功能说明、器件性能说明

3.概念型设计：

进行软硬件功能分析，确定机器级界面

4.具体设计：

机器及界面各方面的确切定义

5.反复进行优化设计和评价

计算机的层次结构（选择）；

答：

由高到低：

应用语言机器级（应用程序包翻译成高级语言程序）→高级语言机器级（经编译程序翻译成汇编语言）→汇编语言机器级（经汇编程序翻译成机器语言程序）→操作系统机器级（一般用机器语言解释作业控制语句）→传统机器语言机器级（用微指令程序解释机器指令）→微程序机器级（微指令由硬件直接执行）。

共有六级，高四级为虚拟机器，低二级为实际机器。

.

计算机系统结构的定义（实质）（选择）；

答：

计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，为机器语言、汇编程序设计者、便于程序生成系统提供使其设计或生成的程序能够在机器上正确运行而应看到和遵循的计算机属性。

计算机系统结构、计算机组成、计算机实现三者之间的区别和联系（简答、选择）；

答：

计算机系统结构、组成、实现三者互不相同，但又相互影响。

具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现。

采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，计算机组成也会影响系统结构。

计算机组成的设计其上决定于系统结构，其下受限于所用的实现技术，发展促进了实现技术和结构的发展。

计算机实现特别是器件技术的发展史计算机系统结构和组成的基础，促进了组成与结构的发展。

随着技术的发展，三者关系融合与一体，难以分开，在相互促进中发展。

软、硬件取舍原则（简答、选择）；

答：

原则1：

系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑；

原则2：

要考虑准备采用和可能采用的组成技术，是指尽可能不要过多或者不合理地限制各种组成、实现技术的采用。

原则3：

不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术，还应从“软”的角度把如何编译和操作系统的实现以及对高级语言提供更好的硬件支持放在首位。

解决软件可移植性的方法（选择、填空）；

答：

1.统一高级语言，应用于结构相同以至完全不同机器之间的高级语言程序的软件移植。

2.采用系列机：

在一定范围内不同型号的机器之间同意汇编语言，就可以在一定程度上解决汇编语言软件的移植。

透明性的定义和判断（选择）；

答：

定义：

计算机中客观存在的事物或属性从某个角度看不到

例如：

低层机器的属性往往对高层机器的程序员透明；计算机组成设计的内容对传统机器程序员来讲一般透明。

CPU性能公式；

答：

取决于三个要素：

1.时钟频率fc2.每条指令所画的时钟周期数CPI3.指令条数IC

假设系统有n种指令，第i种指令在程序中出现的次数为Ii

Amdahl定律（计算）；

答：

系统对某一部件采用某种更快执行方式所能获得的系统性能改进，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。

&

程序访问的局部性原理（简答）；

答：

局部性分为时间局部性和空间局部性：

时间局部性：

程序中近期被访问的信息项可能马上将被再次访问

空间局部性：

访问地址上相邻近的信息项很可能会被一起访问

存储器体系的构成就是以访问局部性原理为基础的

并行性的概念和分类（简答、选择、填空）；

答：

并行性：

在同一时刻或者在同一时间间隔内完成两种或者两种以上的工作，它们在时间上能互相重叠。

同时性：

两个或多个事件在同一时刻发生

并发性：

两个或多个事件在同一时间间隔内发生

从系统执行程序角度来看（从低到高）：

指令内部→指令之间→任务或进程之间→作业或程序之间

从处理数据的并行性来看（从低到高）：

位串字串→位并字串→位片串字并→全并行

从计算信息加工的步骤阶段来看：

存储器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令任务作业并行

Flynn分类（选择、填空）；

答：

Flynn提出按照指令流和数据流的多倍性进行分类。

SISD：

单指令流单数据流SIMD：

单指令流多数据流（并行处理机）

MISD：

多指令流单数据流（实际上不存在）

MIMD：

多指令流多数据流（多处理机几多计算机系统）

冯氏分类法（选择、填空）；

答：

提出用数据处理的并行度来定量地描述各种计算机系统特性

WSBS（字串位串）WSBP（字串位并）

WPBS（自并位串）WPBP（字并位并）

系统结构中开发并行性的途径（填空、选择、简答）和耦合度（填空、选择）等。

答：

并行性开发途径：

1.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，加快硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢的速度。

举例：

流水线

2.资源重复：

是在并行的概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或者性能。

耦合度：

反映多级系统中各级器之间物理连接的紧密程度和交叉作用能力的强弱

最低耦合系统：

脱机系统

松散耦合系统：

多台计算机通过通道或通信线路实现互联，共享外围设备

紧密耦合系统：

多台机器之间通过总线或高速开关互联，共享主存，并有较高的信息传输速度

第二章指令系统

…

掌握：

指令系统的优化设计的两个截然相反的方向；

答：

CISC：

复杂治理系统计算机：

增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。

RISC：

精简指令系统计算机：

减少指令总数和简化指令的功能，降低硬件设计的复杂性。

提高指令的执行速度。

RISC的基本原则和快的实质（简答、选择）；

答：

基本设计原则：

1.使用频度很高的指令

2.大大减少寻址方式，全部指令具有相同的长度

3.所有指令在一个机器周期内完成

4.扩大通用存储器个数

5.采用硬联控制实现

6.通过精简指令和优化变异设计编译程序，以简单又想方式支持高级语言

快的实质：

减少CPI是RISC思想的精华，P=I*CPI*T

P是执行这个程序所使用的总时间，I是程序所执行的总指令数，CPI是每条指令执行的平均周期数，T是一个周期的时间长度

RISC采用的基本技术（简答、选择）；

答：

采用的基本技术：

1.遵循按RISC机器一般原则设计的技术

2.在逻辑上采用硬联实现和微程序固件实现相结合的技术

3.在CPU中设置数量较大的寄存器数组，并采用重叠寄存器串口的技术

4.指令的执行采用流水和延迟转移技术

5.采用高速缓冲存储器Cache

6.采用认真设计和优化编译系统设计的技术

重叠寄存器窗口（选择）

答：

目标：

算短CALL,RETURN的操作时间

方法：

将设置的大量的寄存器，分为多个组和全局区，每个组中分高、本地、低三个区；相邻组的高、低区重叠，加速参数与结果的传递。

结果：

节省了保存现场和回复现场等辅助时间

[

第五章流水线结构

重叠和顺序解释的异同（简答、选择）；

答：

顺序解释：

各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取出下条指令来执行，而且每条指令内部的各个微操作也是顺序串行执行。

优点：

控制简单；缺点：

速度缓慢

重叠解释：

在解释第k条指令的操作完成之前，就可以开始解释第k+1条指令；优点：

能加快相邻两条以上指令的解释；缺点：

不能加快一条指令实现

重叠和流水概念及工作原理（选择）；

答：

重叠概念：

把一条指令分为两个子过程

流水概念：

是重叠的引申,把一条指令分成更多子过程

工作原理：

将解释过程分解成“分析”和“执行”及更多子过程，在独立的分析部件和执行部件上的时间重叠地进行。

一次重叠、二次重叠的概念（选择）；

答：

二次重叠：

由于指令有两个功能段在时间上重叠执行，所以二次重叠执行方式同时构成成了流水线执行方式。

·

先行控制方式；

答：

重叠对组成的要求（简答、选择）；

答：

1.解决访存冲突2.解决分析与执行操作的并行3.解决分析与执行操作控制上的同步4.解决指令间各种相关的处理

重叠相关的两种解决方案并就其原因用系统设计原理作出解释；

答：

1.数相关：

第k、k+1条指令的数据地址之间有关联

主存空间数相关的处理：

原因：

相邻两条指令之间要求对主存同一单元的RAW关联

解决方法：

给读数写数安排不同的访存优先级；

通用寄存器数相关的处理：

原因：

同上解决方法：

增设“相关专用通路”或者延迟

前者设备不变，降低速度；后者增加设备，效率不变

2.指令相关：

经第k条指令的执行来形成k+1条指令

原因：

冯诺依曼型机器允许修改指令

解决：

程序执行过程中不准修改指令，可解决指令相关也可实现程序的可再入性和程序对的递归调用

几种相关的判断及解决方法（选择、填空）；

答：

1.转移指令的处理：

造成重叠效率下降；解决方法：

就尽量减少使用条件转移指令；采用延迟转移技术；

2.指令相关处理：

原因：

冯诺依曼型机器允许修改指令；解决：

程序执行过程中不准修改指令，可解决指令相关也可实现程序的可再入性和程序对的递归调用

3.贮存空间数相关的处理：

原因：

相邻两条指令之间要求对主存同一单元的RAW关联；解决方法：

给读数写数安排不同的访存优先级；

4.通用寄存器组相关处理：

分为操作数相关和变址/基址值相关两种；解决方案：

1.退后读，牺牲速度来避免相关；2.设置相关专用通路

流水线分类（选择、填空）；

答：

1.依据向下向上扩展思路：

向下扩展→子过程细分；向上扩展→多个处理机之间进行流水

2.流水处理级别：

部件级→处理机级→系统级

3.功能多少：

单功能→多功能

4.多功能的连接方式：

静态（一种固定方式连接）→动态（不同方式连接）

5.数据表示：

标量流水→向量流水

6.是否有反馈回路：

线性→非线性（有反馈）

7.控制方式：

同步流水线→异步流水线（顺序流水线和乱序流水线）

流水线特点（选择）；

答：

1.只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率2.在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器3.隔断流水时间尽量相等4.流水线需要装入时间、充满时间和排空时间5.理想情况下流水线充满后每隔Δt时间将有一个结果流出流水

…

解决影响流水线瓶颈的方法（选择、填空）；

答：

1.细分2.瓶颈段并联

流水线性能分析（会画时空图及计算）；

答：

吞吐率：

是流水线单位时间内能流出的结果数

:

加速比：

流水线速度与等效非流水线速度之比

：

效率：

流水线中设备实际占用时间占整个运行时间之比，也称利用率

^

流水线的相关处理（选择、填空）、异步流水线和同步流水线及可能

，

答：

流水线的相关处理：

局部相关处理：

指令相关，访存操作数相关，通用寄存器组相关

原因：

对同意贮存但愿或寄存器要钱RAW后产生的

解决：

1.推后2.设置相关专用通路

流动顺序的安排和控制：

同步流动方式：

顺序保持一致，控制简单但吞吐率和效率下降

异步流动方式：

顺序不同，吞吐率效率都不下降可能产生其他相关

出现的相关（选择、填空）；

答：

局部性相关：

在机器同时解释多条指令之间出现

数据相关：

RAW：

推后读；设置相关专用通路；

WAW：

在控制机构上保证写入先后顺序不变

WAR：

在控制机构上保证读写先后顺序不变

结构相关：

增加硬件资源

全局性相关：

已经进入流水线的转移指令和其后续指令之间的相关

处理方法：

1.猜测法

!

概率相近宜选转移不成功分支

概率不等取大概率分分支

加快执行：

准备两套转移目标指令缓冲器

2.加快、提前形成条件码

加快指令内部条件码生成，即乘除结果的正负零

加快段内条件码生成，将产生指令提前到与其不相关指令之前

3.采取延迟转移：

用软件方法进行静态指令调度的技术，将转移至零与前面不相关的一条或多条指令交换位置。

4.加快循环程序的处理

短循环程序全部放入指缓，并暂停预取指令

循环出口条件转移指令恒猜循环分支

】

指令级高度并行的超级处理机（填空、选择）

答：

超标量处理机

1.采用多指令流水线2.配置多套功能部件、指令译码电路和多总线3.适合于求解稀疏向量、矩阵4.提高性能：

硬件堆叠5.采用空间并行

单发射处理机：

1.每个周期只取一条指令2.取值部件和译码部件各设置一套3.可以设置一个或多个独立多功能操作部件4.操作部件随意用流水线结构5.设计目标是每时钟周期执行一条指令

多发射处理机：

1.每个周期取多条指令2.多套取值部件和译码部件3.可以设置一个或多个独立多功能操作部件4.操作部件随意用流水线结构5.设计目标是每时钟周期执行多条指令

性能比较

超流水线处理机：

1.一个周期能够分时发射多条指令的处理机2.提高性能：

各硬件部分充分重叠工作3.时间并行性

…

超标量超流水线处理机：

将两者结合在一起

第六章向量处理机

向量流水线的处理方式（选择、填空）；

答：

1.横向加工：

产生N次相关，2N次功能切换，速度效率都低下

2.纵向加工：

产生1次相关，1次功能切换，可流水处理

3.纵横处理：

向量场都N不受限制，组内向量大小n受硬件限制

向量处理机并行操作条件（选择、填空）及采用链接技术的条件（选择）；

答：

并行操作的条件：

1.不存在响亮寄存器使用冲突2.不存在功能部件使用冲突

链接技术：

采用相关专用通路思想，解决寄存器的RAW相关

链接条件：

1.不存在功能部件使用冲突2.公用向量寄存器中向量长度、起始地址、偏移量、步长均相等3.参与链接的线性指令产生结果周期相同4.只有线性指令产生第一结果分量的那个时钟才可以链接

阵列处理机的定义（选择）；

》

答：

多个处理单元PU按照一定方式互连，在同一个控制单元CU的控制下对各自的数据完成同一条指令规定的操作。

应用于高速向量矩阵运算。

从CU看是串行，从PU看是并行。

构成（选择）；

答：

1.多个处理单元PE2.多个存储器模块M3.一个控制器CU4.一个互联网络ICN5.一台输入输出处理机

IlliacIV阵列处理机结构特点（选择、填空）；

答：

1.闭合螺线矩阵2.任意两个单元之间的最短距离不会超过步3.处理单元为通常的累加型运算器，把累加器中的数据和存储起来的数据进行操作

互连网络的设计目标（选择、简答）；

答：

1.结构不要复杂，降低成本2.互联灵活，满足算法和应用的需要3.处理单元间信息交换所需最大的传送步数要尽量少，提高速度4.互联网络采用规整单一的基本构件组成，模块化，可扩充性好

应抉择的几个问题（选择、填空）；

答：

1.操作方式

同步：

阵列处理机

异步、同步/异步：

多处理机

2.控制方式

集中：

多数采用

！

分布

3.交换方法

线路交换：

建立实际通路，适合大批量数据传输，常采用

包交换：

建立虚拟电路，适合于短数据传送，常用于多处理机系统和计算机网络

网络上通常采用分组交换

4.拓扑结构

静态：

连接固定，灵活性、适应性差，少使用

动态：

环形网，树形，星形，网络形网

操作方式（选择、填空）；

答：

1.操作方式

|

同步：

阵列处理机

异步、同步/异步：

多处理机

单级互连网络及其函数（计算、选择）；

答：

1.立方体单级网络：

PM2+i（j）=j+2imodN

PM2-i（j）=j-2imodN

有个互连函数，最大距离为n，任意两个节点之间至少有n条不同路径，容错性强

单级网络

n=log2N，有2n个互联函数，普遍有PM2+（n-1）（j）=PM2-（n-1）（j），最大距离为n/2取上界

3.混洗交换单级网络：

shuffle（pn-1pn-2,…,p1p0）=pn-2,…,p1p0pn-1

@

不可逆函数，操作n次后会恢复到原来，多次混洗后每隔处理器都会遇到与其他处理器连接的机会，增加交换函数，的到全混交换单级网络，最大距离为2n-1

4.碟形单级网络：

Butterfly（pn-1pn-2,…,p1p0）=p0pn-2,…,p1pn-1

将二进制的最高位和地位相互交换位置

多级互连网络的几个关键技术（选择、填空）；

答：

交换开关

一个a×b的交换开关有a个输入b个输出，最常用2元开关，一对一和一对多是允许的，不容许多对一，具有直通和交换两种功能的开关称为交换开关

拓扑结构：

通常采用之前介绍的互联函数实现拓扑结构

~

控制方式：

1.级控制：

同一级交换开关使用同一个控制信号控制

2.单元级控制：

每隔交换开关分别控制

3.部分级控制：

第i级使用i+1个控制信号控制

交换开关分类、控制方式（选择、填空）；

答：

交换开关

一个a×b的交换开关有a个输入b个输出，最常用2元开关，一对一和一对多是允许的，不容许多对一，具有直通和交换两种功能的开关称为交换开关

控制方式：

1.级控制：

同一级交换开关使用同一个控制信号控制

2.单元级控制：

每隔交换开关分别控制

3./

4.部分级控制：

第i级使用i+1个控制信号控制

STARAN交换网络的交换函数和互连函数、控制信号（计算、分析）

答：

STARAN网络采用级控制（交换网络）和部分级控制（移数网络）P219

第七章多处理机

多处理机耦合度（填空）；

答：

紧耦合：

1.通过共享主存来实现处理机间通讯，速率受限于主存频率2.减少贮存冲突，采用模m多提交叉存取3.是否带有Cache有两种4.各个处理机为同构性，同一类型、功能相同的多处理机

松耦合：

1.每一台处理机都有较大的局部存储器，用于存储经常用的数据和指令，减少访存冲突，通过通道互联通信或者消息传送系统MTS2.可看成分布式结构3.分为层次型和非层次型

多处理机定义以及硬件结构；

答：

定义：

采用资源共享的技术途径，提高并行处理能力，属于多指令多数据流

硬件结构：

有两台以上处理机，共享I/O子系统，机间经共享主存或告诉通信网络通信，在操作系统控制之下，协同求解大而复杂的问题的计算机系统。

机间互连形式及采用算法（选择、填空）；

"

答：

总线形式：

1.采用分时或多路转接技术传送2.要经过占用总线，其他处理器不能中途暂停3.单总线简单方便，失效敏感，多总线减少访总线冲突，可提高总线的荣誉性和增大传送率

总线仲裁算法：

1.静态优先级法：

为每个练到总线的部件分配固定优先级2.固定时间片算法：

适合同步总线，时钟同步3.动态优先级算法：

动态改变4.先来先服务算法：

你懂的

环形互联形式：

1.总线形成环形互联2.使用令牌3.点点连接容易控制物理参数4.适合于高带宽的光纤

交叉开关形式：

1.包含一组纵横开关阵列2.是总线方式的极端3.总线数=m+i+n，m：

存储器块数，n：

处理机数，i：

io设备数4.交叉开关阵列复杂

多端口存储器形式：

若有多个访问端口，将分布在交叉开关矩阵中的控制、转换和有闲仲裁逻辑分别移到相应存储器模块的接口

蠕虫穿洞寻径网络：

机间采用小容量缓冲存储器，实现消息分组寻径存储转发之用

开关枢纽结构形式：

互联结构的开关设置在各个处理机或其接口内部，组成分布式结构

多处理机的存储器组织中两种编址方式及其适应场合（简答、选择）；

多处理机的cache一致性问题（选择、填空）；

答：

1.写直达法：

保证一个2.进程迁移：

将一个未执行完成而被挂起的进程调度到另一个空闲的处理机上去执行3.绕过cache的IO操作

：

解决方法：

1.进程迁移引起的多cache不一致性：

禁止进程迁移；挂起时靠硬件方法将cache中该进程改写过的信息块强制写回主存相应块

2.以硬件为基础实现多cache的一致性：

监视cache协议：

1写作废2写更新；目录表法：

1全映像目录表法；2.有限目录表法；3.链式目录表法

3.以软件为基础实现多cache的一致性：

1.不把公用的可写数据存入cache中2.靠编译程序把数据分为能存入和不能存入的两部分

问题：

硬件：

通讯量大，复杂；软件：

性价比高

表达式的树形流程图（会画图并计算）；

程序并行性分析（选择、填空）；

答：

假定一个程序包含P1,P2,…,Pi,…Pj,…Pn等n个程序段，设Pi和Pj程序段都是一条语句，Pi在Pj之前执行。

数据相关：

1.如果Pi的左部变量在Pj的右部变量集内，且Pj必须取出Pi运算的结果来作为操作数，称Pj”数据相关”于Pi2.相当于流水中的“先写后读”相关,Pj不能并行，但能交换串行

数据反相关：

1.如果Pj的左部变量在Pi的右部变量集内，且当Pi未取用其变量的值之前，是不允许被Pj所改变，称Pi”数据反相关”于Pj2.相当于流水中的“先读后写”相关3.不能交换串行

&

数据输出相关：

如果Pi的左部变量也是Pj的左部变量，且Pj存入其算得的值必须在Pi存入之后，则称Pj”数据输出相关”于Pi

两个程序段之间如有先写后读的数据相关，不能并行，只在特殊情况下可以交换串行；

如有先读后写的数据反相关，可以并行执行，但必须保证其写入共享主存时的先读后写次序，不能交换串行；

如有写-写的数据输出相关，可以并行执行，但同样需保证其写入的先后次序，不能交换串行；

如同时有先写后读和先读后写两种相关，以交换数据为目的时（A=