計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)試題及答案(非計(jì)算)

1、不得用于商業(yè)用途不得用于商業(yè)用途一Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse三.名詞解釋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。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)。同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個同類型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務(wù)。堆棧型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。累加器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的

2、單元是累加器的機(jī)器。通用寄存器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。數(shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：（1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。向量處理機(jī)：指令級并行：簡稱ILP。是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計(jì)算機(jī)可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。指令

3、的動態(tài)調(diào)度：是指在保持?jǐn)?shù)據(jù)流和異常行為的情況下，通過硬件對指令執(zhí)行順序進(jìn)行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現(xiàn)象。是由硬件在程序?qū)嶋H運(yùn)行時實(shí)施的。指令的靜態(tài)調(diào)度：是指依靠編譯器對代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化的。失效率：CPU訪存時，在一級存儲器中找不到所需信息的概率。失效開銷：CPU向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數(shù)據(jù)調(diào)入一級存儲器所需的時間。強(qiáng)制性失效：當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，需要從下一級存儲器中調(diào)入Cache，這就是強(qiáng)制性失效。容量失效：如果程序在執(zhí)行時，所需要的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當(dāng)某些

4、塊被替換后又重新被訪問，就會產(chǎn)生失效，這種失效就稱作容量失效。沖突失效：在組相聯(lián)或直接映象Cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。RAID:廉價磁盤冗余陣列或獨(dú)立磁盤冗余陣列。通道：專門負(fù)責(zé)整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機(jī)，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。通道流量：指一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量?；ミB網(wǎng)絡(luò)：一種由開關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中結(jié)點(diǎn)之間的相互連接。在拓?fù)渖?，互連網(wǎng)絡(luò)是輸入結(jié)點(diǎn)到輸出結(jié)點(diǎn)之間的一組互連或映象。分布式共享多處理機(jī)

5、：它的共享存儲器分布在各臺處理機(jī)中，每臺處理機(jī)都帶有自己的本地存儲器，組成一個“處理機(jī)-存儲器”單元。但是這些分布在各臺處理機(jī)中的實(shí)際存儲器又合在一起統(tǒng)一編址，在邏輯上組成一個共享存儲器。這些處理機(jī)存儲器單元通過互連網(wǎng)絡(luò)連接在一起，每臺處理機(jī)除了能訪問本地存儲器外，還能通過互連網(wǎng)絡(luò)直接訪問在其他處理機(jī)存儲器單元中的“遠(yuǎn)程存儲器”。機(jī)群：是一種價格低廉、易于構(gòu)建、可擴(kuò)放性極強(qiáng)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由多臺同構(gòu)或異構(gòu)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)互連在一起，協(xié)同完成特定的并行計(jì)算任務(wù)。從用戶的角度來看，機(jī)群就是一個單一、集中的計(jì)算資源。四填空單機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)中并行性發(fā)展的技術(shù)途徑有：（時間重疊）、（

6、資源重復(fù)）、（資源共享）。軟件兼容有（向上兼容）、（向下兼容）、（向前兼容）和（向后兼容）四種其中（向后兼容）是軟件兼容的根本特征。說出三種對計(jì)算機(jī)發(fā)展非常關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)技術(shù)（動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器）、（磁盤）、（網(wǎng)絡(luò)）。同構(gòu)型和異構(gòu)型多處理機(jī)所采用的提高并行性的技術(shù)分別是從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級可以分為字串位串、（字串位并）、（字并位串）、和全并行。從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級可以分為：（指令內(nèi)部并行）、（指令級并行）、（任務(wù)級或過程級并行）和作業(yè)或程序級并行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（時間重疊）、（資源重復(fù)）和（資源共享）三種。在高性能單處理機(jī)的發(fā)展中，起主導(dǎo)作用的是（時間重疊原理

7、）。根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為（堆棧型）指令集結(jié)構(gòu)、（累加器型）指令結(jié)構(gòu)、（通用寄存器型）指令集結(jié)構(gòu)。在處理機(jī)中，若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（名）相關(guān),否則就有可能出現(xiàn)（名相關(guān)）、（數(shù)據(jù)相關(guān)）和（控制）相關(guān)。流水線中的相關(guān)有（數(shù)據(jù)）相關(guān)、（名）相關(guān)、（控制）相關(guān)三種。數(shù)據(jù)相關(guān)有三種，分別是：（寫后讀）、（讀后寫）和（寫后寫）。對向量的處理有（水平處理）方式、（垂直處理）方式、（分組處理）方式。存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的基本依據(jù)是程序的（訪問的局部性原理）。在存儲層次中映像規(guī)則有在存儲層次中，常用的替換算法有（隨機(jī)法）、（先進(jìn)先出法）、（

8、最近最少使用法）。16設(shè)有一個“Cache-主存”層次，Cache為4塊，主存為8塊；試分析對于以下2種情況，計(jì)算訪存塊地址為5時的索引（index）。1）：組相連，每組兩塊：索引為2）直接映像：索引為地址映像方法有（直接映像）、（組相連映像）和（全相連映像）等三中，其中（全相連）的沖突率最低。按照產(chǎn)生失效的原因不同，Cache失效可以分為（強(qiáng)制性失效）、（容量失效）和（沖突失效）三種。19.2:1Cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是指大小為N的（直接映像）Cache的失效率約等于大小為1/2的（兩路組相連）Cache的失效率。相連度越高，（沖突）失效就越少：（強(qiáng)制性）失效不受Cache容量的影響，但（容量）

9、失效卻隨著容量的增加而減少。（強(qiáng)制性失效和容量失效不受相連度的影響）在虛擬存儲器中，一般采用（全相連）地址映像方法和LRU）更新策略。設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)的單個標(biāo)準(zhǔn)（）、（）和（）。輸入/輸出系統(tǒng)包括（外部設(shè)備（I/O設(shè)備，輔助存儲器）和（其與主機(jī)之間的控制部分）。24.通道分為（字節(jié)多路）通道、選擇）通道和（數(shù)組多路）通道三種類型。五簡答題什么叫軟件兼容？軟件兼容有哪幾種?其中哪一種是軟件兼容的根本特征？軟件兼容：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計(jì)算機(jī)移植到另一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時間的不同。向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。

10、向后（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場的計(jì)算機(jī)。向后兼容是一定要保證的，它是系列機(jī)的根本特征。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最常使用的三條基本原則是什么？并說出它們的含義。以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)：對經(jīng)常發(fā)生的情況進(jìn)行優(yōu)化，使分配更多的資源，達(dá)到更高的性能或者分配更多的電能。Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行事件占系統(tǒng)中總執(zhí)行事件的百分比。程序的局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對的簇聚。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，一個設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮哪些因素對設(shè)計(jì)的影響？在進(jìn)行計(jì)算機(jī)系

11、統(tǒng)設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮到如下三個方面因素的影響：技術(shù)的發(fā)展趨勢；計(jì)算機(jī)使用的發(fā)展趨勢；計(jì)算機(jī)價格的發(fā)展趨勢。從執(zhí)行程序的角度看，并行等級從低到高可分為哪幾級？從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（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：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；（3）線程級并行：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。從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可分為哪

12、幾級？從處理數(shù)據(jù)的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對一個字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時對一個字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性；（4）全并行：同時對許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級的并行。試以系列機(jī)為例，說明計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲

13、芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。從目的、技術(shù)途徑、組成、分工方式、工作方式等5個方面對同構(gòu)型多處理機(jī)異構(gòu)型多處理機(jī)做一比較（列表）。指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加了CPU對指令譯碼的難度。（2）為每個操作數(shù)設(shè)置一個地址描述符

14、，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。在指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮哪些主要問題？在進(jìn)行指令機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮如下主要問題：指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向；尋址方式的設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對基準(zhǔn)程序進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)，察看各種尋址方式的使用頻度，根據(jù)適用頻度設(shè)置相應(yīng)必要的尋址方式；操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有，浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（可以采用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)）、整型數(shù)據(jù)類型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型（壓縮十進(jìn)制和非壓縮十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示）等等。尋址方式的表

15、示：可以將尋址方式編碼與操作碼中，也可將尋址方式作為一個單獨(dú)的域來表示。指令集格式的設(shè)計(jì)：有固定長度編碼方式、可變長編碼方式和混合編碼方式三種選擇。計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？答：（1）指令集功能設(shè)計(jì)：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(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對基準(zhǔn)程序進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)，察看各種尋址方式的使用頻率，根據(jù)適用頻率設(shè)置必要的尋址方式。（3）操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型、整型數(shù)據(jù)類型、字符型、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型等等。（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。（

16、5）指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長編碼格式、固定長度編碼格式和混合型編碼格式3種。RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是什么？答（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Load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級語言。表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)

17、致了指令的多樣性，而且增加了CPU對指令譯碼的難度。（2）為每個操作數(shù)設(shè)置一個地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。造成流水線斷流的主要原因是哪三種相關(guān)？簡述三種相關(guān)的基本思想。數(shù)據(jù)相關(guān)，名相關(guān)，控制相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)：指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果，或者指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，指令k又與指令i書記相關(guān)。名相關(guān)：兩條指令使用相同的名，但他們之間并沒有數(shù)據(jù)流動?？刂葡嚓P(guān)：由分支指令引起的，需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。數(shù)據(jù)相關(guān)有哪幾種類型？解決數(shù)據(jù)相關(guān)有哪些主要方法？簡述先行控制的基本思想。答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和

18、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。采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個能快速訪問的存儲單元和相關(guān)的控制邏輯組成。采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。簡述定向技術(shù)的基本思想。定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后

19、讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。試舉例說明DLX流水線中存在不能依靠定向技術(shù)解決的數(shù)據(jù)相關(guān)及其解決方法。有哪幾種向量處理方式？它們對向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？水平處理方式：不適合對向量進(jìn)行流水處理。(2)垂直處理方式：適合對向量進(jìn)行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲器相聯(lián)，構(gòu)成MM型的運(yùn)算流水線。(3)分組處理方式：適合流水處理?？稍O(shè)長度為n的向量寄存器，使每組向量運(yùn)算的源/目向量都在向量寄

20、存器中，流水線的運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成RR型運(yùn)算流水線。簡述Tomasulo算法的基本思想。答：核心思想是：記錄和檢測指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減小到最少；通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。寄存器換名是通過保留站來實(shí)現(xiàn)，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作數(shù)?；舅枷耄褐灰僮鲾?shù)有效，就將其取到保留站，避免指令流出時才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應(yīng)的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而，對于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一個才真正更新寄存器中的內(nèi)容。一條指令流

21、出時，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對應(yīng)于該寄存器保留站的名稱(編號)。簡述前瞻執(zhí)行的基本思想。對分支指令的結(jié)果進(jìn)行猜測，并假設(shè)這個猜測總是對的，然后按這個猜測結(jié)果繼續(xù)取、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是執(zhí)行指令的結(jié)果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB的緩沖器中。等到相應(yīng)的指令得到“確認(rèn)”(即確實(shí)是應(yīng)該執(zhí)行的)后，才將結(jié)果寫入寄存器或存儲器。調(diào)度分支延遲指令有哪三種常用方法？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)。從前調(diào)度：可以有效提高流水線性能，但分支必須不依賴于被調(diào)度的指令。從目標(biāo)處調(diào)度：分支轉(zhuǎn)移成功時，可以提高流水線性能，但由于復(fù)制指令，可能加大程序空間。從失敗處調(diào)度：分支轉(zhuǎn)移失敗時，可以提高流水線性

22、能。但如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響。在Tomasulo算法中，進(jìn)入”流出“段的條件是什么？對于浮點(diǎn)操作來說，要進(jìn)行哪些動作和記錄工作？進(jìn)入“流出”段的條件：有空閑保留站r動作和記錄工作：寫出算法或者文字描述均可。要點(diǎn)：（1）判斷第一操作數(shù)是否就緒；如果是，就把操作數(shù)讀到保留站，否則就把寄存器狀態(tài)表中的標(biāo)識送給保留站。（2）判斷第二操作數(shù)是否就緒；如果是，就把操作數(shù)讀到保留站，否則就把寄存器狀態(tài)表中的標(biāo)識送給保留站。（3）把保留站置為忙。（4）把操作碼送保留站。（5）把保留站號r送到與該指令的結(jié)果寄存器對應(yīng)的寄存器狀態(tài)表項(xiàng)。簡述“Cache主存”層次與“主存一輔存”

23、層次的區(qū)別。存儲層次比較項(xiàng)目“Cache主存”層次“主存一輔存”層次目的為了彌補(bǔ)主存速度的不足為了彌補(bǔ)主存容量的不足存儲管理的實(shí)現(xiàn)全部由專用硬件實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)訪問速度的比值（第一級比第二級）幾比一幾萬比一典型的塊（頁）大小幾十個字節(jié)幾百到幾千個字節(jié)CPU對第二級的訪問方式可直接訪問均通過第一級不命中時CPU是否切換不切換切換到其它進(jìn)程試從3C失效的關(guān)系分析增加塊大小對Cache性能的影響。降低失效率最簡單的方法是增加塊大小。（1）對于給定的Cache容量，當(dāng)塊大小增加（從16字節(jié)開始）時，失效率開始是下降，后來反而上升了。（2）Cache容量越大，使失效率達(dá)到最低的塊大小就越大。導(dǎo)致上述失

24、效率先下降后上升的原因，在于增加塊大小會產(chǎn)生雙重作用。一方面它減少了強(qiáng)制性失效，因?yàn)榫植啃栽碛袃煞矫娴暮x：時間局部性和空間局部性，增加塊大小利用了空間局部性；另一方面，由于增加塊大小會減少Cache中塊的數(shù)目，所以有可能會增加沖突失效。在Cache容量較小時，甚至還會增加容量失效。剛開始增加塊大小時，由于塊大小還不是很大，上述的第一種作用超過第二種作用，從而使失效率下降。但等到塊大小較大時，第二種作用超過第一種作用，使失效率上升。0簡述減小Cache失效開銷的幾種方法答：讓讀失效優(yōu)先于寫、寫緩沖合并、請求字處理技術(shù)、非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)、采用二級Cache。寫出三級Cac

25、he的平均訪問時間的公式。解：平均訪存時間=命中時間+失效率X失效開銷只有第I層失效時才會訪問第I1。設(shè)三級Cache的命中率分別為HLI、H12、HL3,失效率分別為Ml1、Ml2、ML3，第三級Cache的失效開銷為PL3。平均訪問時間TA=HL1+M11H12+M12（HL3+ML3XPL3）降低Cache失效率有哪幾種方法？（至少寫出5種）（簡述其基本思想。）答：常用的降低Cache失效率的方法有下面幾種：（1）增加Cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。（2）增加Cache的容量。（3）提高相聯(lián)度，降低沖突失效。（4）偽相聯(lián)Cache,降低沖突失效。當(dāng)對偽相聯(lián)Cache進(jìn)

26、行訪問時，首先是按與直接映象相同的方式進(jìn)行訪問。如果命中，則從相應(yīng)的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給CPU,訪問結(jié)束。如果不命中，就將索引字段的最僅供個人參考僅供個人參考高位取反，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，就訪問下一級存儲器。(5)硬件預(yù)取技術(shù)。在處理器提出訪問請求前預(yù)取指令和數(shù)據(jù)。(6)由編譯器控制的預(yù)取，硬件預(yù)取的替代方法，在編譯時加入預(yù)取的指令，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請求。(7)編譯器優(yōu)化，通過對軟件的優(yōu)化來降低失效率。(8)“犧牲”Cache。在Cache和其下一級存儲器的數(shù)據(jù)通路之間增設(shè)一個全相聯(lián)的小Cache，存放因沖

27、突而被替換出去的那些塊。每當(dāng)發(fā)生不命中時，在訪問下一級存儲器之前，先檢查“犧牲”Cache中是否含有所需的塊。如果有，就將該塊與Cache中某個塊做交換，把所需的塊從“犧牲”Cache調(diào)入Cache。任寫出三種降低Cache失效開銷的方法，并簡述其基本思想。(簡述減小Cache失效開銷的幾種方法。)答：讓讀失效優(yōu)先于寫、寫緩沖合并、請求字處理技術(shù)、非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)、采用二級Cache。任寫出三種Cache的優(yōu)化技術(shù)，并簡述其基本思想。請簡述I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟。通道分為哪三種類型？它們分別適合為那種外圍設(shè)備服務(wù)？(試比較三種通道的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合。)答：(1)字節(jié)多路通道

28、。一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。(2)數(shù)組多路通道。適于為高速設(shè)備服務(wù)。(3)選擇通道。為多臺高速外圍設(shè)備(如磁盤存儲器等)服務(wù)的。簡述使用物理地址進(jìn)行DMA存在的問題，及其解決方法?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)的主要特性參數(shù)有那幾個？(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的個數(shù)。它表示該網(wǎng)絡(luò)所能連接的部件的數(shù)量。結(jié)點(diǎn)度：與結(jié)點(diǎn)相連接的邊數(shù)(通道數(shù))，包括入度和出度。(3)距離：對于網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個結(jié)點(diǎn)，從一個結(jié)點(diǎn)出發(fā)到另一個結(jié)點(diǎn)終止所需要跨越的邊數(shù)的最小值。(4)網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩個結(jié)點(diǎn)之間距離的最大值。網(wǎng)絡(luò)直徑應(yīng)當(dāng)盡可能地小。(5)結(jié)點(diǎn)之間的線長：兩個結(jié)點(diǎn)之間連線的長度，用米、千米等表示。(

29、6)等分寬度：當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)被切成相等的兩半時，沿切口的邊數(shù)(通道數(shù))的最小值稱為通道等分寬度。(7)對稱性：從任何結(jié)點(diǎn)看到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是相同的網(wǎng)絡(luò)稱為對稱網(wǎng)絡(luò)。什么是多處理機(jī)的Cache一致性？解決多Cache一致性有哪幾種方法？并簡述這些方法。目錄協(xié)議中，Cache塊有哪三種狀態(tài)？(1)共享：在一個或多個處理器上具有這個塊的副本，且主存中的值是最新值(所有Cache均相同)。(2)未緩沖：所有處理器的Cache都沒有此塊的副本。專有：僅有一個處理器上有此塊的副本，且已對此塊進(jìn)行了寫操作，而主存的副本仍是舊的。這個處理器稱為此塊的擁有者。六計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析題有一條動態(tài)多功能流水線由5段組成，加法

30、用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的時間為2，其余各段的時間均為，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水線寄存器中。現(xiàn)在該流水線上計(jì)算(A+B)，畫出時空圖，并計(jì)算其吞吐率、iii=1僅供個人參考僅供個人參考不得用于商業(yè)用途不得用于商業(yè)用途解：首先，應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對于本題，應(yīng)先計(jì)算A1+B1、A2+B2A3+B3和A4+B4；再計(jì)算(A+B)X(A2+B2)和(A3+B3)X(A4+B4)；然后求總的結(jié)果。其次，畫出完成該計(jì)算的時空圖，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。12CDAB019876512CDAB0198765443AB3AB21AB10

31、AB輸入時間AXBXCXD131415161718AXBA=A+BBrAz+B?c=a3+b3D=A+BCXD由圖可見，它在18個厶t時間中，給出了7個結(jié)果。所以吞吐率為：如果不用流水線，由于一次求積需34t,次求和需5At,則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需(4x5+3x3)t=29At。所以加速比為:該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個段總時空區(qū)的面積的比值求得：動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖：其中，S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，各個功能段時間均為50ns,假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器，若以最快的方式用該流

32、水計(jì)算：空xyziiii=1畫出時空圖；計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。解：機(jī)器一共要做10次乘法，4次加法。其他題一、單選題(共15道試題，共60分。)關(guān)于非專用總線三種控制方式中，下列敘述錯誤的是()。A.集中式定時查詢,A.集中式定時查詢,所有部件共用同一條“總線忙”線集中式定時查詢,集中式獨(dú)立請求集中式定時查詢,集中式獨(dú)立請求集中式串行鏈接,選擇：C匯編語言源程序變換成機(jī)器語言目標(biāo)程序是經(jīng)()來實(shí)現(xiàn)的。編譯程序解釋匯編程序解釋編譯程序翻譯匯編程序翻譯選擇：D計(jì)算機(jī)使用的語言是()。專屬軟件范疇,與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)無關(guān)分屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個層次屬于用以建立一個用戶的應(yīng)用環(huán)境屬于符號化的機(jī)器指

33、令選擇：B多端口存儲器適合于連接()。緊耦合多處理機(jī)松耦合多處理機(jī)機(jī)數(shù)很多的處理機(jī)機(jī)數(shù)可變的多處理機(jī)選擇：A在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,提高軟件功能實(shí)現(xiàn)的比例會()提高解題速度減少需要的存貯容量提高系統(tǒng)的靈活性提高系統(tǒng)的性能價格比-選擇：C6用戶高級語言源程序中出現(xiàn)的讀寫(I/O)語句，到讀寫操作全部完成，需要通過()共同完成。編譯系統(tǒng)和操作系統(tǒng)I/O總線、設(shè)備控制器和設(shè)備操作系統(tǒng)和I/O設(shè)備硬件編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)軟件和I/O總線，設(shè)備控制器、設(shè)備硬件等選擇：D流水線的技術(shù)指標(biāo)不包括()。響應(yīng)比吞吐率加速比效率選擇：A實(shí)現(xiàn)匯編語言源程序變換成機(jī)器語言目標(biāo)程序是由()。編譯程序解釋編譯程序翻匯編程序解釋匯

34、編程序翻譯選擇：D9設(shè)16個處理器編號分別為0,1,2,有6有7,15,用PM2-0互聯(lián)函數(shù)時，第13號處理機(jī)與第()號處理機(jī)相聯(lián)。TOC o 1-5 h z129115選擇：A在IBM370系統(tǒng)中,支持操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程共用公用區(qū)管理最有效的指令是()?！皥?zhí)行”指令“程序調(diào)用”指令“比較與交換”指令“測試與置定”指令選擇：C()不屬于計(jì)算機(jī)模擬的特點(diǎn)。用機(jī)器語言解釋實(shí)現(xiàn)程序移植靈活性大提高速度效率低選擇：C對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明的是()。字符行運(yùn)算指令是否使用通道型I/O處理機(jī)虛擬存貯器VLSI技術(shù)選擇：D數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)是指()。計(jì)算機(jī)運(yùn)行由數(shù)據(jù)控制任何一條指令只要它所需要的數(shù)據(jù)可用時,即可執(zhí)行

35、數(shù)據(jù)流水計(jì)算機(jī)單指令多數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)選擇：B計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級層次中,從下層到上層,各級相對順序正確的應(yīng)當(dāng)是()。匯編語言機(jī)器級操作系統(tǒng)機(jī)器級高級語言機(jī)器級微程序機(jī)器級傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級匯編語言機(jī)器級傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級高級語言機(jī)器級匯編語言機(jī)器級匯編語言機(jī)器級一一應(yīng)用語言機(jī)器級一一高級語言機(jī)器級選擇：B從中間開始設(shè)計(jì)的中間目前多數(shù)是在()。傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級與操作系統(tǒng)機(jī)器級之間傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級與微程序機(jī)器級之間微程序機(jī)器級與匯編語言機(jī)器級之間操作系統(tǒng)機(jī)器級與匯編語言機(jī)器級之間選擇：A二、判斷題(共10道試題，共40分。)1.互連網(wǎng)絡(luò)的交換方法主要有線路交換、包交換、線路/包交換，SIMD互連網(wǎng)絡(luò)多采

36、用線路交換，多處理機(jī)常采用包交換。A.錯誤B.正確選擇：B要實(shí)現(xiàn)兩條指令在時間上重疊解釋，首先需要付出空間代價，其次，要處理好指令之間可能存在的關(guān)聯(lián)。A.錯誤B.正確選擇：B解釋是在低級機(jī)器級上用它的一串語句或指令來仿真高級機(jī)器級上的一條指令或指令的功能，通過低級機(jī)器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。A.錯誤B.正確選擇：A就其本質(zhì)而言，并行性包含著并發(fā)性和同時性的二重含義。A.錯誤B.正確選擇：B多處理機(jī)中，兩個程序段之間若有先寫后讀的數(shù)據(jù)相關(guān)，則不能并行，但任何情況下都可以交換串行。A.錯誤B.正確選擇：A計(jì)算機(jī)仿真適合在兩種結(jié)構(gòu)差距大的機(jī)器間運(yùn)用。A.錯誤B.正確選擇：A標(biāo)

37、志符與每個數(shù)據(jù)相連，合存于同一存儲單元，用于描述單個數(shù)據(jù)的類型特征。A.錯誤B.正確選擇：B由于CAChe存貯器的地址變換和塊替換算法是用軟件實(shí)現(xiàn)的，因此CAChe存貯器對應(yīng)用程序員是透明的，而且CAChe對處理機(jī)和主存間的信息交往也是透明的。錯誤正確選擇：A主存空間數(shù)相關(guān)是相間隔的兩條指令之間出現(xiàn)對主存同一單元要求先寫而后讀的關(guān)聯(lián)。錯誤正確選擇：A若一次重疊方式解釋指令仍達(dá)不到速度要求時，可用同時解釋單條指令的流水方法。錯誤正確選擇：A1、計(jì)算機(jī)高性能發(fā)展受益于：（1）電路技術(shù)的發(fā)展；（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。2、層次結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以按語言的功能劃分為多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以不同的語

38、言為特征。第六級：應(yīng)用語言虛擬機(jī)-第五級：高級語言虛擬機(jī)-第四級：匯編語言虛擬機(jī)-第三級：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)-第二級：機(jī)器語言（傳統(tǒng)機(jī)器級）-第一級：微程序機(jī)器級。3、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概括性結(jié)構(gòu)與功能特性。4、透明性：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對本來存在的事物或?qū)傩?，從某一角度來看又好像不存在的概念稱為透明性。5、Amdahl提出的體系結(jié)構(gòu)是指機(jī)器語言級程序員所看見的計(jì)算機(jī)屬性。6、經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)3是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，也就是指令集的設(shè)計(jì)，該界面之上由軟件的功能實(shí)現(xiàn)，界面之下由硬件和固件的功能來實(shí)現(xiàn)。7、計(jì)算機(jī)組織是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)

39、算機(jī)系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)。8、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的區(qū)別和聯(lián)系？答：一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)包括對組織與實(shí)現(xiàn)的研究。9、系列機(jī)：是指具有相同的體系結(jié)構(gòu)但具有不同組織和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。10、軟件兼容：即同一個軟件可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各機(jī)器，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。11、兼容機(jī)：不同廠家生產(chǎn)的、具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。12、向后兼容是軟件兼容的根本特征，也是系列機(jī)的根本特征。13、當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域市場可劃分為：服務(wù)器、桌面系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算三大領(lǐng)域。14、摩爾定律：集成電路密度大約每兩年翻一番。

40、15、定量分析技術(shù)基礎(chǔ)（1）性能的評測：（a）響應(yīng)時間：從事件開始到結(jié)束之間的時間；計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時間。(b)流量：單位時間內(nèi)所完成的工作量。(c)假定兩臺計(jì)算機(jī)x、y；x比y快意思為：對于給定任務(wù)，x的響應(yīng)時間比y少。x的性能是y的幾倍是指：響應(yīng)時間x/響應(yīng)時間y=n響應(yīng)時間與性能成反比。16、大概率事件優(yōu)先原則：(基本思想)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。17、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。系統(tǒng)加速比=總執(zhí)行時間(改進(jìn)前)/總執(zhí)行時間(改進(jìn)后)=18、Amd

41、ahl定律推論：如果僅僅對計(jì)算機(jī)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。如果只針對整個任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，那么多獲得的加速比不大于1/(1-可改進(jìn)比例)。19、cpu性能：Cpu時間=總時鐘周期數(shù)/時鐘頻率Cpi=總時鐘周期數(shù)/ic(cpi:平均每條指令的時鐘周期數(shù)；ic:執(zhí)行過程當(dāng)中的指令條數(shù)。)Cpu性能公式：總cpu時間二cpiXic/時鐘頻率其中：cpi反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織；Ic反映了計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和編程技術(shù)；時鐘頻率：反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，生產(chǎn)工藝和計(jì)算機(jī)組織。20、并行性：是指在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同

42、或不相同工作。第二章1、根據(jù)cpu內(nèi)部存儲單元類型對指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，一般可分為堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。2、通用寄存器型指令集機(jī)進(jìn)一步細(xì)分為3種類型：寄存器-寄存器型(R-R)、寄存器-存儲器型(R-M)、存儲器-寄存器型。3、尋址方式：(1)寄存器尋址：例：ADDR4,R3含義：RegsR4-RegsR4+RegsR3立即值尋址：例：ADDR4,#3含義：RegsR4-RegsR4+3偏移尋址：例：ADDR4,100(R1)含義：RegsR4+Mem100+RegsR1(4)寄存器間接尋址：例：ADDR4,(R1)含義：RegsR4-RegsR4+Me

43、mRegsR1(5)索引尋址：例：ADDR3,(R1+R2)含義：RegsR3-RegsR3+MemRegsR1+RegsR2(6)直接尋址或絕對尋址：例：ADDR1,(1001)含義RegsR1-RegsR1+Mem1001(7)存儲器間接尋址：例：ADDR1,a(R3)含義：RegsR1-RegsR1+MemMemRegsR3(8)自增尋址：例：ADDR1,(R2)+含義：RegsR1-RegsR1+MemRegs(9)自減尋址(10)縮放尋址4、指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)：指令集結(jié)構(gòu)中操作的分類操作類型實(shí)例算術(shù)與邏輯運(yùn)算整數(shù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算：加、減、與、或等2）數(shù)據(jù)傳2）數(shù)據(jù)傳LOAD/STO

44、RE（3）控制分支、跳轉(zhuǎn)、過程調(diào)用和返回、自陷等（4）系統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)用、虛擬存儲器管理。（5）浮點(diǎn)浮點(diǎn)加、減等操作（6）十進(jìn)制十進(jìn)制加、十進(jìn)制乘、十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換（7）字符串字符串移動、比較（8）圖形像素操作，壓縮操作5、復(fù)雜指令機(jī)（CISC）：是指強(qiáng)化指令功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移，基于這種指令集結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CISC指令集存在的缺點(diǎn)：（1）在這種指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯誤。（3）CISC指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)帶來了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片

45、集成。（4）在CISC指令集結(jié)構(gòu)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指令集結(jié)構(gòu)中，由于各條指令功能的不均衡，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。6、20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的精簡指令集計(jì)算機(jī)：其目的是盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達(dá)到簡化實(shí)現(xiàn)，提高性能的目的，也是當(dāng)今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的一個主要趨勢。其設(shè)計(jì)時遵循的原則：（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LOAD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

46、進(jìn)行。（5）以簡單有效的方式支持高級語言。7、操作數(shù)類型：整數(shù)（定點(diǎn)）、浮點(diǎn)、十進(jìn)制、字符、字符串、向量、堆棧等。8、操作數(shù)類型的表示有兩種方法：（1）由操作碼的編碼指定。（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)運(yùn)算。9、操作數(shù)類型大小有：字節(jié)（8）、半字（16b）、單字（32b）、雙字（64b）第三章1、流水線技術(shù)：是指將一個重復(fù)的時序過程，分解為若干個子過程，而每個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執(zhí)行。2、流水線分類：（1）按功能的多少來分：單功能流水線、多功能流水線；（2）按同一時間內(nèi)各段之間的連接方式來分：靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線（3）

47、按流水線的級別來分：部件級流水線（運(yùn)算操作流水線）、處理機(jī)級流水線（指令流水線）、處理機(jī)間流水線（宏流水線）（4）按各個流水段之間是否有反饋回路來分：線性流水線、非線性流水線（5）按數(shù)據(jù)表示分：標(biāo)量流水處理機(jī)、向量流水處理機(jī)3、先行控制器處理機(jī)結(jié)構(gòu)：包括三個獨(dú)立的控制器和四個緩沖棧。其中三個控制器為：存儲控制器、指令控制器、運(yùn)算控制器。四個緩沖棧：先行指令緩沖棧、線性讀數(shù)緩沖棧、現(xiàn)行操作棧，后行寫數(shù)棧。4、吞吐率：是指單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量TP=n/Tk實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率Tk=（k+n-1）At5、加速比：是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比（s）；效率：是

48、指流水線的設(shè)備利用率（E）。6、若流水線各段的時間相等：吞吐率：TP=n/（k+n-l）弋TPmax=1/弋若各段執(zhí)行時間不相等時，完成幾個任務(wù)：TP=n/（Eti+（n-1）max（At1,t2Atk）7、加速比和使用效率的關(guān)系：E=s/m或S=mE8、效率和吞吐率的關(guān)系：E=TPAtO或TP=E/At11、效率：E=n個任務(wù)占用的時空區(qū)/k個流水段的總的時空區(qū)=T0/KTkE=n/（k+n-1）S=kn/（k+n-1）TP=n/（k+n-1）At12、單功能流水棧：是指只能完成一種固定功能的流水棧。13、多功能流水棧：流水棧的各段通過不同連接實(shí)現(xiàn)不同功能。14、非線性流水線調(diào)度：任務(wù)時要找

49、出一個最小的循環(huán)周期，按照個周期向流水線輸入新任務(wù)，流水線的各個功能段都不會發(fā)生沖突，而且流水線的吞吐率和效率最高。15、非線性流水線：某些流水段之間有反饋回路或前饋回路。16、啟動距離：連續(xù)輸入連個任務(wù)之間的時間間隔。17、流水線沖突：幾個任務(wù)爭用同一個流水段。18、禁止向量：預(yù)約表中每一行任意兩個“x”之間距離的集合。19、沖突向量：C=（CmCm-1C2C1）其中m時禁止向量中的最大值20、數(shù)據(jù)相關(guān)：在執(zhí)行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數(shù)、變量等是前面指令的執(zhí)行結(jié)果，這種相關(guān)稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。21、控制相關(guān)：由條件分支指令、轉(zhuǎn)子程序指令、中斷等引起的相關(guān)。22、三種數(shù)據(jù)相關(guān)：限度后寫

50、相關(guān)、先寫后讀相關(guān)、寫寫相關(guān)。第四章1、指令級并行：當(dāng)指令之間不存在相關(guān)時，它們在流水線中時可以重疊起來并行執(zhí)行的，這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。2、在開發(fā)循環(huán)級并行的各種技術(shù)中，最基本的技術(shù)有：指令調(diào)度技術(shù)、循環(huán)展開技術(shù)和換名技術(shù)。第五章（存儲系統(tǒng)）1、存儲系統(tǒng)定義：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲器系統(tǒng)對應(yīng)用程序員時透明的，并且，以應(yīng)用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。2、存儲系統(tǒng)分為兩類

51、：(1)Cache存儲系統(tǒng)：由Cache與主存儲器構(gòu)成，目的是提高存儲器速度。(2)虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成，目的是擴(kuò)大存儲器容量。3、存儲系統(tǒng)的價格：C=(C1S1+C2S2)/(S1+S2)4、存儲系統(tǒng)的速度：表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等。5、命中率定義：在M1存儲器中訪問到的概率u=N1/(N1+N2)N1是對存儲器M1的訪問次數(shù)，N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)。6、訪問效率：T11e=T1/T=f(u,T2/T1)uTl+(lu)T2u+(1-u)T2/T17、采用預(yù)取技術(shù)提高命中率.(方法)不命中時，把M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數(shù)據(jù)塊取出來送入M

52、1存儲器中.uz=(u+n-1)/n其中u是米用預(yù)取技術(shù)之后的命中率；u是原來的命中率；n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積。8、加速內(nèi)部地址變換方法：(1)目錄表：用一個小容量高速存儲器存放頁表；快慢表：快表、慢表構(gòu)成一個兩級存儲系統(tǒng)；(3)散列函數(shù)：把相聯(lián)訪問變成接地址訪問。9、頁面替換算法：(1)隨機(jī)算法(RAND)；(2)先進(jìn)先出算法(FIFO)；(3)近期最少使用算法(LFV)；(4)最久沒有使用算法(LRV)；(5)最優(yōu)替換算法(OPT)。10、“顛簸”現(xiàn)象：一個頁面剛被調(diào)出主存儲器，又要被調(diào)入。11、堆棧型替換算法：對任意一個程序的頁地址流作兩次主存頁面數(shù)分配，分別分配m個主存

53、頁面和n個主存頁面，并且mWn。如果在任何時刻t,主存頁面數(shù)集合Bt都滿足關(guān)系：Bt(m)WBt(n)則這類算法成為堆棧型替換算法。12、Cache地址映像方法：(1)全相聯(lián)映像；(2)直接映像；(3)組相聯(lián)映像；(4)位選擇組相聯(lián)映像；(5)段相聯(lián)映像。13、Cache存儲替換算法：(1)輪換法(2)LRV算法(3)比較對法(4)堆棧法。14、單處理機(jī)的Cache一致性：包括寫直達(dá)法：寫通過法，CPU的數(shù)據(jù)寫入Cache時，同時頁寫入主存還有寫回法：抵觸修改法，CPU的數(shù)據(jù)只寫入Cache，不寫入主存，僅當(dāng)替換時才把修改過的Cache塊寫回主存二者優(yōu)缺點(diǎn)比較：可靠性：寫直達(dá)法優(yōu)于寫回法。與主

54、存的通訊量，寫回法少于寫直達(dá)法。（3）控制的復(fù)雜性，寫直達(dá)法比寫回法簡單。（4）硬件實(shí)現(xiàn)的代價，寫回法比寫直達(dá)法好。15、多處理機(jī)的一致性：（1）目錄協(xié)議（2）兼聽協(xié)議第六章（輸入/輸出系統(tǒng)）1、衡量I/O系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有響應(yīng)時間和可靠性。2、磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率分為外部傳輸率和內(nèi)部傳輸率。3、外部傳輸率（突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率）：計(jì)算機(jī)通過磁盤接口從硬盤的緩存中將數(shù)據(jù)讀出，發(fā)給相應(yīng)的控制器的速度。4、內(nèi)部傳輸率（持續(xù)傳輸率）：硬盤將數(shù)據(jù)從盤片上讀取出，交給硬盤上的緩沖存儲器的速度。5、反映存儲外設(shè)可靠性能的參數(shù)有可靠性、可用性和可信性。6、可靠性衡量標(biāo)準(zhǔn)用：平均無故障時間。7、可用性衡量標(biāo)準(zhǔn)用：平均

55、失效間隔時間。8、總線：總線時各子系統(tǒng)之間共享的通信鏈路，具有低成本和多樣性這兩個優(yōu)點(diǎn)。9、總線的主要缺點(diǎn)：它必須獨(dú)占使用，造成了設(shè)備信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。10、分離事務(wù)總線：在有多個設(shè)備時，可用通過打包技術(shù)來提高總線帶寬，這樣每次I/O操作就不必在整個傳輸過程中都占有總線，其基本思想時將總線事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分，這樣總線就可以在某個總線事務(wù)的請求和應(yīng)答間的空閑時間間隔內(nèi)被其它總線事務(wù)使用。（又稱流水總線、懸掛總線、包交換總線）11、控制外部設(shè)備的輸入/輸出方式分為：直接傳送、程序查詢、中斷、DMA、通道方式。12、I/O設(shè)備的編址方式：（1）存儲器映射I/O或

56、稱為統(tǒng)一編址（2）I/O設(shè)備單獨(dú)編址13、通道：能夠執(zhí)行有限的I/O指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型的DMA專用處理機(jī)。14、通道的功能：（1）接受來自CPU的I/O指令，并根據(jù)指令要求選擇指定的外圍設(shè)備與通道相連接。（2）執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。（3）為主存和外設(shè)裝配和拆卸信息，控制主存和I/O設(shè)備傳送數(shù)據(jù)并提供傳送通路，指示數(shù)據(jù)存放的主存地址和傳送字節(jié)數(shù)。（4）指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。（5）檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，時正常還是故障。（6）在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必需的格式變換。15、通

57、道的種類：（1）字節(jié)多路通道（2）選擇通道（3）數(shù)組多路通道。16、通道的工作過程：（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。通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序是與CPU執(zhí)行用戶程序并行的。（3）通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)某個中斷請求后，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。第七章（多處理機(jī)）1、Cache一致性協(xié)議：（1）目錄協(xié)議和兼聽協(xié)議；（2）橫向分為：寫作廢協(xié)議和寫更新協(xié)議；（3）縱向分為：單處理協(xié)議和單數(shù)據(jù)流協(xié)議。2、并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

58、的分類：單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）、單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）、多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。3、目錄協(xié)議分為三類：全映射目錄、有限目錄、鏈?zhǔn)侥夸洝?、鏈?zhǔn)侥夸洠和ㄟ^維護(hù)一個目錄指針鏈來跟蹤共享數(shù)據(jù)拷貝。思想：當(dāng)pl讀x時，存儲器送x到cachel，同時寫cachel的一個鏈結(jié)束指針ct在存儲器也保存一個指向cachel的指針，到p2讀x時，存儲器則保存一個指向cachel2的指針，到某一處理機(jī)需要寫x時，他必須沿整個目錄連發(fā)送一個數(shù)據(jù)無敵信息，在收到所有處理機(jī)的回答信號后，存儲器才給該處理機(jī)寫允許權(quán)到cachel中的數(shù)據(jù)塊需要替換時，要把該cache從目錄鏈

59、中刪除，有如下解決方法；（1）把cachei+1的指針指向cachei+1，在cachel中存放新數(shù)據(jù)塊（2）使cachel及在鏈中位子其后的所有cachel中的單元x無效（3）使用雙向鏈，在替換時不再需要遍歷整個鏈，但指針增加了一倍，一致性協(xié)議更加完美優(yōu)點(diǎn):b不限制共享數(shù)據(jù)塊的拷貝數(shù)目又保持了可擴(kuò)展性，指針的長度已處理機(jī)數(shù)目的對屬關(guān)系增長，cache的每個數(shù)據(jù)塊的指針數(shù)目與處理機(jī)的數(shù)目無關(guān)缺點(diǎn):鏈?zhǔn)侥夸浀膹?fù)雜成都超過了前兩種目錄5定義：互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；是將對稱式系統(tǒng)或分布式系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可能好似處理器，存儲模塊或者其它設(shè)備，它們通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，在拓?fù)渖?，互?lián)網(wǎng)絡(luò)為輸入和輸出兩組節(jié)點(diǎn)之間提供

60、一組互聯(lián)或映像6（1）節(jié)點(diǎn)數(shù)稱為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（2）與節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的邊的數(shù)目為節(jié)點(diǎn)的最大值稱為網(wǎng)絡(luò)直徑（3）網(wǎng)絡(luò)中任意連個結(jié)點(diǎn)間最短路徑長的最大值稱為網(wǎng)絡(luò)直徑（4）等分寬度（b）在將某一網(wǎng)絡(luò)切成相兩半的各種切法中，沿切口的最小道數(shù)邊數(shù)稱為通道等分寬度（5）路由：指在網(wǎng)絡(luò)通信中對路徑的選擇與指定7互聯(lián)函數(shù)：如果把互連網(wǎng)絡(luò)的N個a端和N個出端各自用整數(shù)0,1,.N代數(shù)，則互連函數(shù)表示合練的出編號和如編號的一一對稱關(guān)系8互連網(wǎng)絡(luò)表示方法（1）互連函數(shù)表示法（2）圖形表示法（3）輸入輸出對應(yīng)表示法9常見的數(shù)據(jù)路由（或互連函數(shù)）的功能：（1）循環(huán)（2）置換（3）均勻混洗（4）超立方體路由功能（5）廣播和傳播附：課