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1、第1章计算机系统结构的基本概念1.1解释下列术语层次结构:按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构, 每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级, 汇编语言机器级，咼级语言机器级，应用语言机器级等。虚拟机：用软件实现的机器。翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低 一级机器上运行，实现程序的功能。解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段 等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复, 直到解释执行完整个程序。计算机系
2、统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为 透明性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及 逻辑设计等。计算机实现：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，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高， 受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比
3、。程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包 括时间局部性和空间局部性。CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方 面的处理性能。存储程序计算机：冯诺依曼结构计算机。其基本点是指令驱动。程序预先存放在计算机存 储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描 述的处理工作。系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的 计算机。软件兼容:一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算 机上运行
4、。差别只是执行时间的不同。向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行 于在它之后（前）投入市场的计算机。兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。模拟：用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（称为虚拟机） 的指令系统。仿真：用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机） 的指令系统。并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上相 互重叠，就存在并行性。它包括同时性与并发性两种含
5、义。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，以加快硬件周转而赢得速度。资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地 提高计算机系统的性能。资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。耦合度：反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。紧密耦合系统：又称直接耦合系统。在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一 般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。松散耦合系统：又称间接耦合系统，一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，
6、可 以共享外存设备（磁盘、磁带等）。计算机之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行。异构型多处理机系统：由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，它们按照作业要 求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。同构型多处理机系统：由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一 作业中能并行执行的多个任务。第3章流水线技术3.1解释下列术语流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其 专用功能段上与其它子过程同时执行。单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。多功能流水线：
7、指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。静态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的 流水线。当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变 连接。动态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行 多种功能的流水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。部件级流水线：把处理机中的部件进行分段，再把这些部件分段相互连接而成。它使得运算 操作能够按流水方式进行。这种流水线也称为运算操作流水线。处理机级流水线：又称指令流水线。它是把指令的执行过程按照流水方式进行处理，即把
8、一 条指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立的功能部件中执行。处理机间流水线：又称为宏流水线。它是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处 理，每个处理机完成整个任务中的一部分。前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后 一个处理机的输入。线性流水线：指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。数据通过流水线中的各段时，每一 个段最多只流过一次。非线性流水线：指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入 流水线的任务先完成。这种流水
9、线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。流水线的加速比:使用顺序处理方式处理一批任务所用的时间与按流水处理方式处理同一批 任务所用的时间之比。流水线的效率：即流水线设备的利用率，它是指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时 间的比值。数据相关：考虑两条指令i和j, i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令 i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。名相关：如果两条指令使用了相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存 在名相关。控制相关：是指由分支
10、指令引起的相关。它需要根据分支指令的执行结果来确定后面该执行 哪个分支上的指令。反相关：考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果指令j所写的名与指令i所读的名相同， 则称指令i和j发生了反相关。输出相关：考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果指令j和指令i所写的名相同，则称指 令i和j发生了输出相关。换名技术：名相关的两条指令之间并没有数据的传送，只是使用了相同的名。可以把其中一 条指令所使用的名换成别的，以此来消除名相关。结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。控制冲突：流水线遇到分支指令或其它
11、会改变PC值的指令所引起的冲突。定向：用来解决写后读冲突的。在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后 面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。如果能够将该计算结果从其产生的 地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。写后读冲突：考虑两条指令i和j,且i在j之前进入流水线，指令j用到指令i的计算结果， 而且在i将结果写入寄存器之前就去读该寄存器，因而得到的是旧值。读后写冲突：考虑两条指令i和j,且i在j之前进入流水线，指令j的目的寄存器和指令i 的源操作数寄存器相同，而且j在i读取该寄存器之前就先对它进行了写操作，导致i读到 的值是错误的。写后写冲突：考虑两条指
12、令i和j,且i在j之前进入流水线,，指令j和指令i的结果单元（寄 存器或存储器单元）相同，而且j在i写入之前就先对该单元进行了写入操作，从而导致写 入顺序错误。这时在结果单元中留下的是i写入的值，而不是j写入的。链接技术：具有先写后读相关的两条指令，在不出现功能部件冲突和Vi冲突的情况下，可 以把功能部件链接起来进行流水处理，以达到加快执行的目的。分段开采：当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，然后 循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。半性能向量长度：向量处理机的性能为其最大性能R的一半时所需的向量长度。向量长度临界值：向量流水方式的处理速度优于标量串行方式的
13、处理速度时所需的向量长度 的最小值。第5章存储层次5.1解释下列术语多级存储层次：采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器 之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的内容都是其下一层（离CPU更远的一层） 存储器中内容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。全相联映象：主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。直接映象：主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。组相联映象：主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（Cache分成 若干组，每组由若干块构成）。替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多
14、，所以当要从主存中调一个块到Cache中时， 会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出 其中的某一块，以接纳新调入的块。LRU：选择最近最少被访问的块作为被替换的块。实际实现都是选择最久没有被访问的块作 为被替换的块。写直达法：在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器 中相应的块。写回法：只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。按写分配法：写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。不按写分配法：写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache 0命中时间：访问
15、Cache命中时所用的时间。失效率：CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。失效开销：CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。强制性失效:当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache, 这就是强制性失效。容量失效：如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又 重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。冲突失效：在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该 组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。2： ICache经验规则
16、：大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N /2的两路组相 联Cache的实效率。相联度：在组相联中，每组Cache中的块数。Victim Cache:位于Cache和存储器之间的又一级Cache，容量小，采用全相联策略。用于 存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块。每当失效发生时，在访问下一级存储器之前，先 检查Victim Cache中是否含有所需块。故障性预取：在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，就会发生异常。非故障性预取：在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，不发生异常。非阻塞Cache： Cache在等待预取数据返回时，还能继续提供指令和数据。尽早重启动：在请求字没有到达时，CPU处于等待状
