计算机系统结构前60分复习资料手打

1 现代通用计算机系统可分为哪几级 它们的相对位置是什么 按由高到底的次序分别是应用语言机器级 高级语言机器级 汇编语言机器级 操作 系统机器级 传统机器语言机器级和微程序机器级 2 什么是并行性 提高计算机系统并行性的技术途径有哪三个 并解释 各举一系统类型 例子 并行性是指问题中具有可同时进行运算或操作的特性 并行性的技术途径有时间重叠 资源重复 资源共享 时间重叠 引入时间因素 是让多个处理过程在时间上相互错开 轮流使用同一套硬件设备的各个部分 以加快硬件周转使用来赢得速度 例子如流水处理 机 CRAY 1 资源重复 引入空间因素 通过重复设置硬件资源来提高性能 通过例子如 阵列处理机 ILLIAC IV 资源共享 是用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同 一套资源 来提高其利用率 相应也就提高了系统的性能 例子如多道程序分时系统 3 单指令流多数据流的并行处理机在系统组成上应包含哪些部分和功能 1 用专门的并行算法对数组 向量中得元素进行并行处理 2 用一台高性能处理机 来进行标量处理和控制互连网络的连接 3 用一台管理处理剂来运行系统程序和输入输 出任务 4 概要叙述软硬件取舍的基本原则 第一个原则是应考虑在现有的硬件条件下 系统要有高的性能价格比 第二个原则是要 考虑到准备采用和可能采用的组成技术 第三个原则是 从 硬 软 两个角度考虑采用 的技术成果和采纳的硬件支持 5 什么是软件的向上兼容和向下兼容 系列机对软件兼容的要求是什么 软件向上或下 兼容指的是按某档机器编制的软件 不加修改就能运行于比它高低档的 机器上 系列机软件兼容的基本要求是必须保证向后兼容 力争向上兼容 6 叙述耦合度的定义 并简单叙述什么是最低 松散和紧密耦合 耦合度反应多机系统中各机间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱 最低耦合指各 计算机之间无物理连接 也无共享的联机硬件资源 松散耦合指多台计算机体通过通道或 通信线路实现互连 共享某些外围设备 紧密耦合指多台计算机经总线或高速开关互连 共享主存 有较高的信息传输速率 7 根据弗林分类法 计算机系统可分为几大类 简单介绍这几大类系统 分为单指令流单数据流 SISD 单指令流多数据流 SIMD 多指令流单数据流 MISD 和 多指令流多数据流 MIMD 8 分析并行处理机 单处理机流水方式 多处理机和单处理一次重叠方式这四种系统 各 能达到什么并行性等级 各自遵循何种并行性途径发展来的 并行处理机 操作级并行 资源重复 单处理机流水 操作或指令步骤并行 部件级 时间重叠 多处理机 指令 任务程序 作业全面并行 时间重叠和资源共享 一次重叠 的单处理机 指令级操作步骤并行 时间重叠 9 根本器件的功能 器件可分为哪几类 它们的区别是什么 分为非用户片 现场片和用户片 非用户片的功能是由器件厂生产定死的 器件的用户 只能用不能改 现场片用户可以根据需要改变一部分内部功能 用户片是专门接用户要求 生产的高度集成器件 10 实现软件移植的途径有哪些 各受什么限制 软件移植的途径主要有 统一高级语言 设计系列机 模拟与仿真 统一高级语言 可 以解决结构相同或完全不同的机器间的软件移植 从长远看是方向 但目前难以解决 只 能作相对统一 系列机 只能实现同一系列内的软件兼容 虽然允许发展变化 但兼容的 约束反过来会阻碍系统的结构取的突破性的进展 模拟与仿真 模拟灵活 可实现不同系 统间的软件移植 但结构差异太大时 效率 速度会急剧下降 仿真在速度上的损失小 但不灵活 只能在差别不大的系统间使用 否则效率会过低且难以仿真 需与模拟结合才 行 11 设计指令系统时 以乘法运算为例 简述系统结构设计 计算机组成设计 计算机实现 各种应考虑的问题 系统结构设计考虑是否要设置乘法指令 计算机组成设计考虑是否要配置高速乘法器 计算机实现考虑的是组成高速乘法器或加法 移位器的器件集成度 类型数量以及微组装的 技术 12 简述实现软件移植的统一高级语言的途径存在的问题 问题是至今虽然有上百种高级语言 但没有一种是对各种应用通用的 第一 不同的用 途语言要求的语言语法 语义结构不同 第二 人们对语言的基本结构看法不一 第三 即使同一高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用 第四 人们不愿抛弃惯用的语言 不愿抛弃长期积累的 用原有语言编写且已被实践证明是正确的软件 13 当浮点数尾数基值 Rm 增大时 对机器数的表示会产生什么影响 可扩大浮点数可表示数的范围 增加可表示的数的个数 减少运算数中得移位次数 降 低数的可表示精度 提高运算速度等 14 列举面向目标程序优化实现改进的几种思路 第一种思路是通过大量已有机器的机器语言程序及执行情况进行统计各种指令和指令串 的使用频度来加以分析和改进 第二种思路是增设强功能复合指令来取代原先是由常用宏指令或子程序实现的功能 15 列举 RISC 的优点 RISC 原则 设计 RISC 结构采用的技术 RISC 优点 1 简化指令系统设计 适合 VISI 实现 2 提高机器的执行速度和效率 3 降低设计成本 提高了系统的可靠性 4 可直接支持高级语言的实现 RISC 原则 1 确定指令系统时 只选择使用频度很高的那些指令 再增加少量能有效支持 操作系统 高级语言实现及其它功能的指令 大大减少指令条数 使之一般不超过 100 条 2 减少指令系统素用寻址方式种类 一般不超过两种 3 让所有的指令都在一个机器周内完 成 4 扩大通用寄存器数 一般不少于 32 个 尽量减少访存 只存取指令访存 5 为提高 指令执行速度 大多数指令都用硬联控制实现 少数指令才用微程序实现 6 通过精简指 令和优化设计编译程序 简单有效地支持高级语言的实习 RISC 采用的技术 1 按 RISC 一般原则设计 2 逻辑实现用硬联合和微程序结合 3 用重叠 寄存器窗口 4 指令用流水和延迟转移 5 优化设计设计编译系统 16 简述确定和引入数据表示的原则 一是看引入后 系统效率是否显著提高 即是否显著减少了实现时间和所需的存储空间 二是看引入的数据表示 其通用性和利用率是否提高 17 列举面向操作系统优化实现改进的几种思路 第一种思路是通过对操作系统中常用指令和指令串的使用频度进行分析 第二种思路是 考虑如何增设专用于操作系统的新指令 第三种思想是把操作系统中频繁使用的 对速度 影响大的某些软件子程序硬化或固化 改为直接用硬件或微程序解释实现 18 列举浮点数尾数下溢的几种处理方法 截断法是将尾数超出机器字长的那部分简单截掉 恒置 1 法是让机器运算器规定字 长的最低位恒为 1 状态 查表舍入法是用 ROM 或 PLA 芯片存放下溢处理结果表 每次经 查表来读得相应的处理结果 19 简述程序的动态再定位的思想 什么是程序动态再定位 支持程序动态再定位的是什么 寻址方法 思想 在硬件上设置基址寄存器和地址加法器 在程序不作变换直接装入主存的同时 装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中 程序执行时 只要通过地址 加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基址形成物理有效地址后去访存即可 程序动态再定位 指程序在实际主持空间中得位置可以动态移动的定位技术 一种作法是 在硬件上设置基址寄存器和地址加法器 另一种作法是 设置逻辑地址到主存物理有效地 址的映像表硬件 支持程序程序再定位的是基址寻址方法 20 什么是专用总线和非专用总线 列举它们各自的优点 专用总线 只连接一对物理部件的总线 优点是不争用总线 系统流量高 控制简单 非转移总线 可以被多种功能或多个部件所分时共享 同一时候只有一对部件可使用总线 进行通用 优点是总线的线数少 选价低 可扩充能力强 21 简述数据宽度和数据通路宽度的区别 并说明数据宽度有哪几类 并说明它们适合的设 备类型 数据宽度是指系统在二次分配总线的期间里 经数据总线所传送的数据总量 数据通路 宽度是指一个时钟周期内所传送的信息位数 即数据总线的线数 数据宽度可以有单字 定长块 可变长块 单子加定长块和单字加可变长块 5 种方式 单 字节方式适用于挂低速设备 定长块方式适用于挂磁盘等高速设备总线 可变长块适用于 挂优先级高的中 高速设备的总线 单子加定长块方式和可变长块类似 单字加可变长块 使用起来最灵活 22 列举 IBM370 中断响应的几种类型 加以排序 按照中断响应的优先次序可分为 紧急的机器校验中断 管理程序调用和程序性中断 可抑制的机器校验中断 外部中断 输入 输出中断 重启中断 23 解释说明总线的三种控制方式 各需要增加几根用于总线控制的控制线 并说明每种方 法优先级 总线的控制方式有串行链接 定时查询和独立请求三种方式 串行链接方式中所有部件 都经公共的 总线请求 线向总线控制器发出请求 定时查询通过查询计数器上的计数值 与部件号是否一致 确立总线的控制权 独立请求的每个部件都有一对 总线请求 和 总线准许 线 串行链接需增加 3 根控制线 优先级线连固定 无灵活性 定时查询需 增加 2 LOG2 N 根控制线 优先级可用程序改变 灵活性强 独立请求需增加 2N 1 根控制线 优先级可用程序改变 灵活性强 24 对中断进行分类的根据是什么 这样分类的目的何在 中断分类是把中断源按性质相近 中断处理过程类似的归为同一类 分类的目的是为减 少中断处理程序入口 每一类给一个中断服务程序总入口 可以简化中断服务处理程序入 口地址形成的硬件数量 25 在现代计算机系统中 中断系统的软硬件功能是如何分配的 中断响应的速度要求快 所以一般用硬件实现 中断处理过程比较多样化 有的可能比 较复杂 所以一般用软件来实现 但可以增加某些硬件支持 26 列举出至少 3 个替换算法 并说明它们的基本概念 随机算法 是用软的或硬的随机数产生器产生主存中要被替换页的页号 先进先出算法 是选择最早装入主存的页作为被替换的页 近期最少使用的算法 是选择近期最少访问的 页作为被替换页 27 简述存储体系的概念 并说明典型的两极存储体系是什么 所谓存储体系指的是构成存储系统的 N 种不同的存储器 M1 M2 之间 配件辅助软 件或辅助硬件 使之从应用程序员来看 他们在逻辑上时一个整体 典型的两级存储体系 是虚拟存储器和 Cache 存储器 28 说明段式存储的基本概念并列举几个 至少 3 个 优点 段式存储管理是将程序按逻辑意义分成段 按段进行调进调处和管理 优点 1 支持了 程序的模块化设计和并行编制的要求 2 缩短了程序的编制时间 3 各个程序段的修改相互 不会有影响 29 简述 IBM PC 机页式存储管理的特点 1 把虚拟存储空间和实际存储空间等分成固定大小的页 2 各虚拟页可装入主存中不同 的实际页面的位置 3 在任一时刻 每个虚拟地址都对应一个实际地址 4 这个实际地址可 能在主存中 也可能在外存中 30 简述全相联映像和直接映像的基本概念 全相联映像规则是主存中任意一块都可映像装入到 Cache 中任意一块位置 在直接映像 规则中 把主存空间按 Cache 大小等分成区 每区内各块只能按位置一一对应到 Cache 的 相应块位置上 31 CPU 写 Cache 时 会发生 Cache 与主存的对应内容不一致 解决这个问题有哪些方法 各需增加什么开销 1 写回法 在 CPU 执行操作时 如命中 Cache 就只写入 Cache 暂不写入主存 2 写 直达法 每当 CPU 写 Cache 命中时 不仅写入 Cache 也经 CPU 到主存的直达通路直接写 入主存 第一种方法要求对再个 Cache 块增加一个修改位的资源开销 第二种方法增加写 主存的开销 32 什么是堆栈型替换算法 用式子描述 能满足下列两个关系式的替换算法就是堆栈型的替换算法 即 n1t 时 Bt n Bt n 1 其中 n 为分配给程序的实页数 Bt n 为 t 时刻在 n 个实页 中得页面集合 Lt 为 t 时间已处理过的不同虚页的页面数 33 解决计算机主存与 CPU 的速度差对机器性能的影响 可采用哪三种解决方法 1 在 CPU 中设置通用寄存器 让运算直接在 CPU 的通用寄存器中进行 减少与主存的 应用 2 采用存储器的多体交叉并行存取来提高主存的等效速度 3 采用 Cache 存储器 33 对于二级虚拟存储层次 其等效访问时间与主 辅存的访问时间有什么关系 可采取哪 些措施提高存储层次的等效访问速度 存储层次的等效访问时间是 TA HT1 1 H T2 式中 H 为主存命中率 T1 T2 分 别为主 辅存访问时间 提高的措施 1 当等效访问时间远大于主存访问周期时 可采取提 高主存命中率的方法 2 当主存命中率 H 已经很高时 可提高主存的访问速度 以降低 T1 3 加快内部地址映像和变换 如采用快 慢表层次 增大快表的命中率等 34 在流水机器中 全局性相关指的是什么 处理方法有哪些 全局性相关是指转移指令与其后续指令之间的相关 处理方法 1 猜测法 猜选其中一 个分支继续流入 待条件码形成后再决定是继续执行 还是作废 按另一分支重新流入 2 加快和提前形成条件码 加快单指令内部条件的形成 不等指令执行完提前形成反映运 算结果的条件码 在一段程序内提前形成条件码 3 采用延迟转移 用软件方法进行静态 指令调度的技术 4 加快短循环程序的处理 判断如属于短循环 将循环各指令一次取入 指令缓冲器中 停止预取指令 猜选分支恒选循环分支 35 流水线按级别分类分成几类 线性流水线与非线性流水线有什么区别 流水线按级别分为部件级 处理机级和系统级三级 线性流水线无反馈或越过的通路 非线性流水线则有反馈回路或前越通路 36 解释 一次重叠 的含义 一次重叠 将指令分析解释分为 分析 和 执行 两个阶段 任何时刻都只是 执行 k 与 分析 K 1 在时间上的重叠 也就是让指令分析部件与指令执行部件同时处理相邻 的两条指令 37 什么事指令相关 解决指令相关的根本方法是什么 指令相关是因为指令在程序的执行过程中允许被修改造成的 本条指令要等到之前的指 令执行完后才能修改形成好 解决指令相关的根本方法是在机器中规定指令在执行过程不 允许被修改 38 什么事流水线的速度瓶颈 消除的方法有哪两种 流水线经过时间最长的功能段就是流水线的速度瓶颈 消除流水线的速度瓶颈方法 一 是将瓶颈子过程再细分 二十将瓶颈过程多套并联 39 程序的局部性表现在哪两个方面 原因是什么 程序的局部性表现在时间和空间两个方面 时间上的局部性是因为程序存在着循环 空 间上的局部性是因为程序中大部分支流是顺序存储和顺序被取出来的执行 数据一般也是 以向量 数组 树 表等形式簇聚地存储在一起 40 流水机器的中断处理有哪两种方法 各有什么优缺点 流水机器的中断处理有不精确断点法和精确断点法两种 不精确断点法的优点是控制处 理简单 缺点是对程序排错不利 精确断点法的优点是有利于程序的排错 缺点是需要大 量的缓寄存器 41 流水线调度是指什么 在什么情况下需要对流水线进行调度 流水线调度是指确定什么时候向流水线输入新的任务 在非线性流水线中 一般任务会 多次通过某些功能段 如果每拍输入一个新任务 前后多个任务会争用某些功能段 在多 功能动态流水线时也有流水线调度问题存在 42 流水处理的主要技术途径是什么 在 CPU 中可以有哪两类流水 流水线的主要技术途径是时间重叠和功能部件专门化 CPU 内部可以有指令流水线和 运算操作流水线 43 简要叙述 SIMD 互连网络的设计目标 目标 结构要简单 以降低成本 连接要灵活 以满足算法和应用的需要 中转传送的 步骤要少 以提高阵列运算速度 规整性 模块性要好 以便可以采用基本构件组合 增 强系统的可扩充性 也便于大规模集成 44 什么是全排列网络 实现全排列网络有哪两种方法 可实现 N 个入端的有 N 种排列的网络称为全排列网络 即 N 个端所有一到一的传送都 不会发生传送路径使用冲突的互连网络 实现全排列网络的方法有 1 在多级互连网络的输入端设置锁存器 使输出端的数 据再一次通过多级互连网络 2 将两个 log2 N 级互连网络的正网络和逆网络串接起来 合并掉中间的一级 组成 2log2 N 1 级多级网络 45 什么是紧偶合多处理机 什么是松偶合多处理机 各处理机之间通过互连网络共享主存的是紧耦合多处理机 各处理机之间通过共享 I O 系统 通道或通信线路实现机间通信 它们不共享主存的松耦合系统 46 多处理机中得并行性表现在哪些方面 开发多处理机的并行性有哪些途径 多处理机主要实现作业之间 程序段之间 任务之间的并行 也可包含有指令级 指令 内部各