最新匯總計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)總復(fù)習(xí)資料.doc

1、精品文檔按照弗林（ Flynn ）分類法，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分為4 類：SISD 計(jì)算機(jī)、（ SIMD 計(jì)算機(jī)）、（ MISD計(jì)算機(jī)）和（ MIMD 計(jì)算機(jī)）。早期馮 ?諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是（程序存儲）、（指令驅(qū)動）、（集中控制）。目前向量處理機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種： （存儲器存儲器型和寄存器寄存器型）。通用計(jì)算機(jī)基本指令分為5 類，它們分別是： （數(shù)據(jù)傳送類，運(yùn)算類，程序控制類，輸入輸出類，處理機(jī)控制和調(diào)試類） 。傳統(tǒng)的馮 ?諾依曼計(jì)算機(jī)是以控制驅(qū)動方式工作，以數(shù)據(jù)驅(qū)動方式工作的典型計(jì)算機(jī)是（數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)），以需求驅(qū)動方式工作的典型計(jì)算機(jī)是（歸約機(jī)），以模式匹配驅(qū)動方式工作的典型計(jì)算機(jī)是（人工智

2、能計(jì)算機(jī)） 。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及這些部件之間的連接方式。透明性 ：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。系列機(jī) ：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的計(jì)算機(jī)兼容機(jī) ：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬 ：用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。仿真：用一臺現(xiàn)有計(jì)算機(jī) （稱為宿主機(jī)） 上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。程序的局部性原理： 程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲器地址不是隨機(jī)

3、分布的，而是相對地簇聚。 包括時(shí)間局部性和空間局部性。MIPS ： 每秒處理的百萬級的機(jī)器語言指令數(shù)基準(zhǔn)測試程序： 用于測試和預(yù)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，揭示不同結(jié)構(gòu)機(jī)器的長處和短處，為用戶決定購買或使用那種機(jī)器最合適他們的應(yīng)用要求提供決策。高速緩沖存儲器：高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU 之間的一級存儲器，由靜態(tài)存儲芯片（ SRAM ）組成，容量比較小但速度比主存高得多，接近于CPU 的速度。虛擬存儲器：在具有層次結(jié)構(gòu)存儲器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，自動實(shí)現(xiàn)部分裝入和部分替換功能，能從邏輯上為用戶提供一個(gè)比物理貯存容量大得多，可尋址的“主存儲器 ”?？毂恚豪酶咚倬彌_存儲器存放頁表的一部分，把存放在高速存

4、儲器中的部分頁表稱“快表 ”。程序定位延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)：在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條或幾條有效的指令。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，要等這些插入的指令執(zhí)行完成之后，才執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令，因此，轉(zhuǎn)移指令好象被延遲執(zhí)行了，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。窗口重疊技術(shù)流水線技術(shù)指在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)先行控制技術(shù)： 是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等動態(tài)流水線： 指在同一時(shí)間內(nèi)， 多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)

5、算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。靜態(tài)流水線：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。 當(dāng)流水線要切換到另一種功能時(shí)，必須等前面的任務(wù)都流出流水線之后，才能改精品文檔精品文檔變連接。線性流水線：指各段串行連接、 沒有反饋回路的流水線。 數(shù)據(jù)通過流水線中的各段時(shí)， 每一個(gè)段最多只流過一次非線性流水線： 指各段除了有串行的連接外，還有反饋回路的流水線。流水線的吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。超標(biāo)量計(jì)算機(jī)：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)CPU 可以執(zhí)行一條以上的指令的計(jì)算機(jī)向量的分段開采技術(shù)： 當(dāng)向量的長度大于向量寄存器的長度時(shí)，必須把長向量分成長度

6、固定的段。處理長向量的程序結(jié)構(gòu)稱為向量循環(huán)，這種技術(shù)也叫分段開采1、簡述馮 .諾依曼計(jì)算機(jī)的特征。答：馮 諾依曼型計(jì)算機(jī)的主要特征.1,采用二進(jìn)制代替十進(jìn)制運(yùn)算2,存儲程序工作方法3,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成.諾依曼型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及其各部分的功能。包括：控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。2、什么是存儲系統(tǒng)？答： 存儲系統(tǒng)不是簡單的存儲設(shè)備，如磁盤；也不是人們常見的磁盤陣列。簡單的說，網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)是由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)智能化的磁盤陣列和存儲控制管理系統(tǒng)構(gòu)成的。如果我們用一個(gè)比喻來形容存儲系統(tǒng)的話，假設(shè)我們把磁盤作為PC，磁盤陣列則相當(dāng)于我們計(jì)算角度上的服務(wù)器，我們的存儲系統(tǒng)就是高性能的計(jì)算機(jī)。3

7、、簡述組相聯(lián)映象規(guī)則。（ 1）主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。（2）主存和 Cache按同樣大小劃分成組。（3）主存容量是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩沖區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與緩存的組數(shù)相同。（ 4）當(dāng)主存的數(shù)據(jù)調(diào)入緩存時(shí)，主存與緩存的組號應(yīng)相等，也就是各區(qū)中的某一塊只能存入緩存的同組號的空間內(nèi)， 但組內(nèi)各塊地址之間則可以任意存放， 即從主存的組到 Cache的組之間采用直接映象方式； 在兩個(gè)對應(yīng)的組內(nèi)部采用全相聯(lián)映象方式。4、引起 Cache 與主存內(nèi)容不一致的原因是什么？為了保持Cache 的一致性，在單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般采取哪些措施？答：不一致的原因：(1) 由于 CPU

8、寫 Cache，沒有立即寫主存(2) 由于 I/O 處理機(jī)或 I/O 設(shè)備寫主存采取措施：（1）全寫法，亦稱寫直達(dá)法(WT 法 Write through)精品文檔精品文檔方法：在對Cache 進(jìn)行寫操作的同時(shí)，也對主存該內(nèi)容進(jìn)行寫入。（ 2）寫回法（ WB 法 Write back ）方法：在 CPU 執(zhí)行寫操作時(shí),只寫入 Cache,不寫入主存5、影響虛擬存儲器命中率的因素有哪些？它們是如何影響的？（ 1）頁面大?。寒?dāng)頁面比較小時(shí)，隨著頁面的增大，命中率明顯提高，但當(dāng)頁面增大到一定值時(shí)，命中率不再增大，而隨著頁面的增大而下降。（ 2）主存容量：當(dāng)主存容量增加時(shí)，命中率不斷提高；當(dāng)容量增大到

9、一定程度后，命中率的提高就不大了。（ 3）頁面調(diào)度方式：頁面的調(diào)度都是發(fā)生在產(chǎn)生缺頁中斷時(shí)進(jìn)行，因此在程序剛開始運(yùn)行時(shí)命中率很低，為此可以采用預(yù)取式調(diào)度法，提高命中率。6、在指令編碼中，縮短地址碼的方法很多，請列出三種縮短地址碼的方法，并說明理由。：（ 1）用間址尋址方式縮短地址碼長度（ 2）用變址尋址方式縮短地址碼長度（ 3）用寄存器簡介尋址方式縮短地址碼長度7、什么是指令的重疊解釋方式？重疊解釋方式有哪三種？8、試述頁式管理虛擬存儲器的工作過程。頁式管理是將主存空間與虛存空間按固定的大小劃分成塊，每塊稱為一頁。 頁的大小和劃分與程序的邏輯功能無關(guān)，由操作系統(tǒng)軟件來執(zhí)行。一般而言，一頁的大小

10、應(yīng)該是512Bit 的整數(shù)倍， 因?yàn)檩o助磁盤存儲的物理塊的大小為512Bit 。虛頁中的頁稱為虛頁，實(shí)存中的各頁稱為實(shí)頁， 各虛頁與實(shí)頁之間按全相聯(lián)方式映象，也就是虛頁中的一頁，可以存入主存中的任意一頁的位置。當(dāng) CPU 給出所要訪問的虛地址后，根據(jù)用戶號訪問基址寄存器，求得用戶的頁表首地址 Pa，然后與虛地址中的虛頁號 P 相加，得到該頁的表目，由此表目中得到該頁存入主存中的實(shí)頁號為 p，將該頁號讀出與頁內(nèi)地址組裝即可得到主存的實(shí)際地址。典型例題分析與解答 例 1如有一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4 級。每一級為了執(zhí)行一條指令需要下一級的N 條指令解釋。若執(zhí)行第一級的一條指令需K(

11、ns) 時(shí)間，那么執(zhí)行第2、3、4 級的一條指令各需要用多少時(shí)間(ns)?解：第二級的一條指令需第1 級的 N 條指令解釋第二級的一條指令執(zhí)行時(shí)間為NKns ；第三級的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N2Kns ；第四級的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N3Kns 。 例 2假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10 倍，但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解：由題意可知fe=0.4, re=10, 根據(jù) Amdahl 定律精品文檔精品文檔用一臺 4OMHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序， 它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令條數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算4500

12、01數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送80002求有效 CPI、 MIPS 速率和程序的執(zhí)行時(shí)間。解：依題意可知IN=105 條， n=4 例 4若某機(jī)要求有：三地址指令 4 條，單地址指令 192 條，零地址指令 16 條。設(shè)指令字長為 12 位，每個(gè)地址碼長 3 位。問能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？精品文檔精品文檔 例 5假設(shè)一臺模型計(jì)算機(jī)共有10 種不同的操作碼，如果采用固定長操作碼需要4 位。已知各種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率如下表所示，計(jì)算采用Huffman 編碼法的操作碼平均長度，并計(jì)算固定長操作碼和Huffman 操作碼的信息冗余量（假設(shè)最短平均長度H 3.1 位）答：構(gòu)

13、造 Huffman 樹如下：精品文檔精品文檔 例6一臺模型機(jī)的各條指令的頻度如下：ADD （加）： 43%SHR（右移）： 1%SUB （減）： 13%CLL （循環(huán)左移） ： 2%JOM （按頁轉(zhuǎn)移）： 6%CLA （累加器清0）： 22%STO（存）： 5%STP（停機(jī)）： 1%JMP（轉(zhuǎn)移）： 7試設(shè)計(jì)這9 條指令的哈夫曼編碼的操作碼表示以及2-4 等長擴(kuò)展操作碼表示，并計(jì)算這兩精品文檔精品文檔種表示的平均操作碼長度。答：構(gòu)造 Huffman 樹如下 ： 例 7 設(shè)某用戶虛存共有8 頁 ,主存有4 頁 ,每頁大小為1KB.試根據(jù)頁表計(jì)算出虛地址1023和 6800 的主存實(shí)地址。解：頁號

14、與地址對應(yīng)關(guān)系 例 8某機(jī)主存容量為512KB ，Cache 的容量為32KB ，每塊的大小為16 個(gè)字（或字節(jié)） 。劃出全相聯(lián)方式主、緩存的地址格式、目錄表格式及其容量。答：全相聯(lián)映象方式：主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊，主存的某一數(shù)據(jù)塊可以裝入緩存的任意一塊空間中。根據(jù)已知條件可以求得：主存塊數(shù)： 512K/16 32K 215；緩存塊數(shù)： 32K/16 2K 211；精品文檔精品文檔塊內(nèi)地址： 1624 例 9某機(jī)主存容量為512KB ，Cache 的容量為32KB ，每塊的大小為16 個(gè)字（或字節(jié)） 。劃出直接相聯(lián)方式主、緩存的地址格式、目錄表格式及其容量。答：直接相聯(lián)映象方式：主存與

15、緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)，主存中某區(qū)的一塊存入緩存時(shí)只能存入緩存中塊號相同的位置。根據(jù)已知條件可以求得：主存區(qū)數(shù)： 512K/32K 16 24；緩存塊數(shù)： 32K/16 2K 211；塊內(nèi)地址：1624精品文檔精品文檔 例 10 主存容量為 512KB ，Cache 的容量為 32KB ，每塊為 64 個(gè)字（或字節(jié)），緩存共分 128 組。劃出組相聯(lián)方式主、緩存的地址格式、目錄表格式及其容量。答：組相聯(lián)映象方式：主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊，主存和Cache 按同樣大小劃分成組，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)， 當(dāng)主存的數(shù)據(jù)調(diào)入緩存時(shí)， 主存與緩存的組號應(yīng)相等，

16、 但組內(nèi)各塊地址之間則可以任意存放。根據(jù)已知條件可以求得：主存區(qū)數(shù)： 512K/32K 16 24；緩存組數(shù)： 12827；緩存塊數(shù)： 32K/64 51229；組內(nèi)塊數(shù)：512/128 4 22塊內(nèi)地址： 64 26精品文檔精品文檔 例 11一個(gè)有快表和慢表的頁式虛擬存儲器，最多有 64 個(gè)用戶， 每個(gè)用戶最多要用1024 個(gè)頁面，每頁 4K 字節(jié)，主存容量 8M 字節(jié)。（ 1）寫出多用戶虛地址的格式，并標(biāo)出各字段的長度。（ 2）寫出主存地址的格式，并標(biāo)出各字段的長度。（ 3）快表的字長為多少位？分幾個(gè)字段？各字段的長度為多少位？（ 4）慢表的容量是多少個(gè)存儲字？每個(gè)存儲字的長度為多少位？答

17、：用戶號： 64 26，虛頁號： 1024 210，頁內(nèi)地址： 4K 212，主存頁數(shù)：8M/4K 211（1）多用戶虛地址：用戶號（6 位）虛頁號（10 位）頁內(nèi)地址（12 位）共28位（2）主存地址：主存實(shí)頁號（11 位）頁內(nèi)地址（3）快表字長27 位；分 3 個(gè)字段：用戶號（4）慢表容量為2(6+10) ，每個(gè)存儲字長為：12 位）6 位，虛頁號共23位10 位，實(shí)頁號11 位 例主存頁號 1 12 位。12 為在頁式虛擬存儲器中，一個(gè)程序由P1 P5 共5 個(gè)頁面組成。在程序執(zhí)行過程中依精品文檔精品文檔次訪問的頁面如下：P2， P3， P2，P1， P5，P2， P4， P5，P3，

18、P2， P5， P2假設(shè)系統(tǒng)分配給這個(gè)程序的主存有 3 個(gè)頁面， 分別采用 FIFO 、LFU 和 OPT 三種頁面替換算法對這 3 頁主存進(jìn)行調(diào)度。(1) 畫出主存頁面調(diào)入、替換和命中的情況表。(2) 統(tǒng)計(jì)三種頁面替換算法的頁命中率。解：三種替換算法的替換過程：例 13用一條 4 段浮點(diǎn)加法器流水線求 8 個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的和 : Z A B C D E F G H, 求流水線的吞吐率、加速比和效率 ,其中 t1= t2= t3= t4= t。精品文檔精品文檔 例 14 設(shè)有兩個(gè)向量 A ， B，各有 4 個(gè)元素，若在如圖 5-2-16a 所示的靜態(tài)雙功能流水線上，計(jì)算向量點(diǎn)積：其中， 1235 組

19、成加法流水線，145組成乘法流水線。又設(shè)每個(gè)流水線所經(jīng)過的時(shí)間均為 t，而且流水線的輸出結(jié)果可以直接返回到輸入或暫存精品文檔精品文檔于相應(yīng)的緩沖寄存器中，其延遲時(shí)間和功能切換所需的時(shí)間都可以忽略不計(jì)。請使用合理的算法，能使完成向量點(diǎn)積A*B所用的時(shí)間最短，并求出流水線在此期間實(shí)際的吞吐率TP和效率 E。解：首先，應(yīng)選擇適合于靜態(tài)流水線工作的算法。對于本題，應(yīng)先連續(xù)計(jì)算al*bl 、 a2*b2 、a3*b3 和 a4*b4 共 4 次乘法，然后功能切換，按(albl+a2b2)+(a3b3+a4b4) 經(jīng) 3 次加法來求得最后的結(jié)果。按此算法可畫出流水線工作時(shí)的時(shí)空圖。如圖5-2-16b 所示。由圖可見， 總共在 15 個(gè) t 的時(shí)間內(nèi)流出 7 個(gè)結(jié)果， 所以在這段時(shí)間里， 流水線的實(shí)際吞吐率 TP 為 7/15 t。若不用流水線，由于一次求積需3 t,一次加法需4 t,產(chǎn)生上述結(jié)果就需要 t=24 t。因此 ,加速比為S=24 t/(15 t)=1.6 。該流水線的效率可用陰影區(qū)面積