系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡答題

1、1、什么是軟件兼容軟件兼容有幾種其中哪一種是軟件兼容的根本特征同一個軟件可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時間的不同。軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。其中向后兼容是軟件兼容的根本特征。2、試以系列機(jī)為例，說明計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)組成和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。計算機(jī)組成是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成；一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。同一系列機(jī)中各種型號的機(jī)器具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但采用不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，因而具有不同的性能和價格。3、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中最經(jīng)常使用的

2、三條基本原則是什么（1） 大概率事件優(yōu)先原則：對于大概率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和 資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。（2）Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系 統(tǒng)中所占的重要性。（3 ）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對地簇 聚。4、根據(jù)Amdahl定律，系統(tǒng)加速比由哪兩個因素決定系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素：（1）可改進(jìn)比例：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例。（2）部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提高。5、從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級從低到高可分為哪幾級從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級從低到高可分

3、為：（1）指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。（2） 指令級并行（InstructionLevel Parallelism ， ILP）:并行執(zhí)行兩條或兩條以上 的指令。（3）線程級并行（Thread Level Parallelism ，TLP）:并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線 程，通常是以一個進(jìn)程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。（4） 任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程 序或進(jìn)程為調(diào)度單元。（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。6、計算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有哪三種（1）時間重疊。多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用

4、同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。（2）資源重復(fù)。通過重復(fù)設(shè)置資源， 尤其是硬件資源，大幅度提高計算機(jī)系統(tǒng)的性能。（3）資源共享。這是一種軟件方法，它使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。7、現(xiàn)代大多數(shù)機(jī)器均采用通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)，為什么主要有兩個方面的原因，一是寄存器和CPU內(nèi)部其他存儲單元一樣，要比存儲器快；其 次是對編譯器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。8、 從當(dāng)前的計算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來看，CISC結(jié)構(gòu)有什么缺點(diǎn)（1）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研

5、制 時間和成本，而且還容易造成設(shè)計錯誤。（3） CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給 VLSI設(shè)計增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。（5） 在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計 算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能。9、RISC的設(shè)計原則是什么（1）選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令。（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡單，并在一個機(jī)器周期內(nèi)完成。（3）所有指令長度均相同。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。（5）以簡單、有效的方式支持高

6、級語言。10、計算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及的內(nèi)容有哪些（1）指令集功能設(shè)計：主要有 RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向。（2）尋址方式的設(shè)計。（3）操作數(shù)表示和操作數(shù)類型。（4）尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個單獨(dú)的域來表示。（5）指令集格式的設(shè)計：有變長編碼格式、固定長度編碼格式和混合型編碼格式三種。11、指令中有哪兩種表示操作數(shù)類型的方法（1）操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定，這是最常見的一種方法。（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng) 的運(yùn)算。12、MIPS采用哪幾種尋址方式MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址和偏移

7、量尋址兩種，立即數(shù)字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實(shí)現(xiàn)的，16位絕對尋址是通過把 R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址寄存器來完成的。13、流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)（1 ）流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個過程稱為流水線的“級”或“段”。（2）每個子過程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)。（3）各個功能段所需時間應(yīng)盡量相等。（4）流水線需要有“通過時間”，在此之后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘 周期（拍）流出一個結(jié)果。（5 ）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時序過程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才能充分發(fā)揮。14、在5段流水線中，一條指令的執(zhí)行需要幾個時鐘周期它們分別是什

8、么一條指令的執(zhí)行需要 5個時鐘周期。它們分別是：取指令周期（IF ）、指令譯碼/讀寄存 器周期（ID）、執(zhí)行/有效地址計算周期（EX）、存儲器/分支完成周期（MEM、寫回周期（WB。15、評價流水線的性能指標(biāo)是什么（1）吞吐率：指在單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。（2）流水線的加速比：指 m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。（3）效率：指流水線的設(shè)備利用率。16、什么叫相關(guān)流水線中有哪幾種相關(guān)相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。相關(guān)有3種類型，分別是數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)

9、。17、什么叫名相關(guān)名相關(guān)有哪兩種如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動，則稱這兩條指令存在名相關(guān)。指令j與指令i之間的名相關(guān)有以下兩種：（1） 反相關(guān)。如果指令j寫的名與指令i讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。反相關(guān)指令之間的執(zhí)行順序是必須嚴(yán)格遵守的，以保證i讀的值是正確的。（2）輸出相關(guān)。如果指令 j和指令i寫相同的名，則稱指令 i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。輸出相關(guān)指令的執(zhí)行順序是不能顛倒的，以保證最后的結(jié)果是指令j寫進(jìn)去的。18、流水線沖突有哪幾種流水線沖突有以下 3種類型：（1）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。（2）數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重

10、疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。（3） 控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。19、預(yù)測分支失敗方法的主要思想是什么當(dāng)流水線譯碼到一條分支指令時，流水線繼續(xù)取指令，并允許該分支指令后的指令繼續(xù)在流水線中流動。當(dāng)流水線確定分支轉(zhuǎn)移成功與否以及分支的目標(biāo)地址之后，如果分支轉(zhuǎn)移成功，流水線必須將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作，并在分支的目標(biāo)地址處重新取出有效的指令； 如果分支轉(zhuǎn)移失敗，那么可以將分支指令看作是一條普通指令，流水線正常流動，無需將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作。20、“延遲分支”方法的主要思想是什么其主要思想是從邏輯上

11、“延長”分支指令的執(zhí)行時間。設(shè)延遲長度為n的分支指令后面有n個分支延遲槽，選擇n條有效和有用的指令放入分支延遲槽中，無論分支成功與否， 流水線都會執(zhí)行這些指令。處于分支延遲槽中的指令“掩蓋”了流水線原來所必須插入的暫停周期。21、單級存儲器的主要矛盾是什么通常采取什么方法來解決主要矛盾：（1）速度越快，每位價格就越高。（2）容量越大，每位價格就越低。（3）容量越大，速度越慢。采取多級存儲層次方法來解決。22、在存儲層次中應(yīng)解決哪四個問題（1）映像規(guī)則：當(dāng)把一個塊調(diào)入高一層存儲器時，可以放到哪些位置上。（2）查找算法：當(dāng)所要訪問的塊在高一層存儲器中時，如何找到該塊。（3）替換算法：當(dāng)發(fā)生失效時，

12、應(yīng)替換哪一塊。（4）寫策略：當(dāng)進(jìn)行寫訪問時，應(yīng)進(jìn)行哪些操作。23、地址映像方法有哪幾種它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)（1） 全相聯(lián)映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制復(fù)雜，代價高，速度慢。Cache空間的利用率較高， 塊沖突概率較低，因而 Cache的失效率也低。（2） 直接映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制簡單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概 率較高，因而 Cache的失效率也高。（3）組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)的一種折中。24、寫策略主要有哪兩種它們各有什么優(yōu)點(diǎn)（1）寫直達(dá)法：易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的。（2）寫回法：速度快，寫操作能以Cache存儲器的速度進(jìn)行。而且對于同一單元的多個寫最

13、后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達(dá)Cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲器頻帶較低。25、偽相聯(lián)的基本思想是什么采用這種方法時，在命中情況下，訪問Cache的過程和直接映像 Cache中的情況相同；而發(fā)生失效時，在訪問下一級存儲器之前，會先檢查Cache另一個位置（塊），看是否匹配。確定這個另一塊的一種簡單的方法是將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找偽相聯(lián)組中的對應(yīng)塊。如果這一塊的標(biāo)識匹配，則稱發(fā)生了偽命中。否則，就只好訪問下一級存26、偽相聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是什么偽相聯(lián)既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率又能保持直接映像Cache的命中速度。27、減少Cache失效開銷有哪些方法

14、(1) 讓讀失效優(yōu)先于寫。(2) 寫緩沖合并。(3) 請求字處理技術(shù)。(4) 非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)。(5) 采用二級 Cache。28、采用二級Cache的基本思想是什么通過在原有Cache和存儲器之間增加另一級 Cache，構(gòu)成兩級Cache。把第一級Cache做得 足夠小，使其速度和快速 CPU的時鐘周期相匹配， 而把第二級Cache做得足夠大，使它能捕 獲更多本來需要到主存去的訪問，從而降低實(shí)際失效開銷。29、 采用容量小且結(jié)構(gòu)簡單的Cache有什么好處(1) 可以有效地提高 Cache的訪問速度。因?yàn)橛布胶唵?，速度就越快。小容量Cache 可以實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)識檢測，對減

15、少命中時間有益。(2) Cache足夠小，可以與處理器做在同一芯片上，以避免因芯片外訪問而增加時間開銷。(3) 保持Cache結(jié)構(gòu)簡單可采用直接映像Cache。直接映像Cache的主要優(yōu)點(diǎn)是可以讓標(biāo)識檢測和數(shù)據(jù)傳送重疊進(jìn)行，這樣可以有效地減少命中時間。30、 "虛擬索引+物理標(biāo)識”Cache的基本思想是什么直接用虛地址中的頁內(nèi)位移(頁內(nèi)位移在虛實(shí)地址的轉(zhuǎn)換中保持不變)作為訪問Cache的索引，但標(biāo)識卻是物理地址。CPU發(fā)出訪存請求后，在進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換的同時，可并行進(jìn)行標(biāo)識的讀取。在完成地址變換之后，再把得到的物理地址與標(biāo)識進(jìn)行比較。31、可采用什么方法提高存儲器帶寬(1) 增加存儲

16、器的寬度。(2) 采用簡單的多體交叉存儲器。(3) 獨(dú)立存儲體。（4）避免存儲體沖突。32、簡述 RAID10與RAID0+1的區(qū)別。RAID10又稱為 RAID1+0, RAID01又稱為 RAID0+1，它們都是 RAID0與RAID1相結(jié)合的結(jié)果，其區(qū)別在于先做什么，即先鏡像還是先按條帶存放。RAID1+0是先進(jìn)行鏡像（RAID1），然后再進(jìn)行條帶存放（RAID0）。 RAID0+1是先進(jìn)行條帶存放（RAID0），然后再進(jìn)行鏡像（RAID1），即組內(nèi)按條帶存放，組之間做鏡像。33、通道完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕^程（1）在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程

17、序，并啟動通道。（2）通道處理機(jī)執(zhí)行 CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。 通道程序結(jié)束后向 CPU發(fā)中斷請求。CPU響應(yīng)這個中斷請求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進(jìn)行處理。34、動態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)有哪幾種（1 ）總線：價格較低、帶寬較窄、容易產(chǎn)生故障。（2）交叉網(wǎng)絡(luò)：價格昂貴、帶寬和互連特性最好。（3）多級網(wǎng)絡(luò)：采用模塊結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性較好；其時延隨網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)而上升。35、在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，將存儲器分布到各結(jié)點(diǎn)有什么好處將存儲器分布到各結(jié)點(diǎn)有兩個好處：第一，如果大多數(shù)的訪問是針對本結(jié)點(diǎn)的局部存儲器，則可降低對存儲器和互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求。第二，對局部存儲器

18、的訪問延遲低。分布式存儲器結(jié)構(gòu)最主要的缺點(diǎn)是處理器之間的通信較為復(fù)雜，且各處理器之間訪問延遲較大。36、在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，目前有哪兩種存儲器地址空間的組織方案（1）第一種方案：物理上分離的多個存儲器作為一個邏輯上共享的存儲空間進(jìn)行編址。（2）第二種方案：整個地址空間由多個獨(dú)立的地址空間構(gòu)成，它們在邏輯上也是獨(dú)立的，遠(yuǎn)程的處理器不能對其直接尋址。37、在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，對應(yīng)于兩種地址空間的組織方案，分別有哪兩種通信機(jī)制它們是怎么實(shí)現(xiàn)的(1) 共享地址空間的機(jī)器：可利用 load和store指令中的地址隱含地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 因而可稱為共享存儲器機(jī)器。(2) 多個地址空間的機(jī)器：根據(jù)簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過傳遞消息來請求某些服務(wù)或傳 輸數(shù)據(jù)，從而完成通信。因而這種機(jī)器常稱為消息傳遞