福州大学计算机系统结构复习提纲

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1、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，冷却装臵及整机装配技术。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”

2、， “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

3、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

4、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

5、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

6、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 fc 2.每条指令所画的时钟周期数CPI 3.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

7、数为IiAmdahl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。)()()(cfCPIICCPUTCPU 频率时钟周期数时间 ICCPUCPI时钟周期数cf1CPIICTcpucf1)ICPI(Tn1iiicpun1ii in1iii )ICICPI(IC)ICPI( CPI66 CPU1010TICMIPSCPIfc6 CPU10MIPSICT6CPUFN10TIMFLOPS MIPS3 MFLOPS1性能没有采用改进措施前的采用改进措施后的性能加速比newrnewfnewfnewTT/)1(1old时间

8、改进前整个任务的执行可改进部分占用的时间newf 时间改进后改进部分的执行时间改进前改进部分的执行newr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

9、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

10、 （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，通过重复设臵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

11、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，设臵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

12、 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 中设臵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：将设臵的大量的寄存

13、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

14、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RA

15、W 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

16、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.设臵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臵一个流水锁存器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 t 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