计算机系统结构复习资料

1、计算机系统结构复习资料11. 透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称对它是透明的2. 计算机组成：机器级内部数据流和控制流的组成及逻辑设计（时间的排序与控制）3. 计算机实现：计算机组成的物理实现（器件的集成度和微组装技术）4. 计算机性能如何要看其：硬件，软件，可用性，可靠性等多种指标的综合5. 软件移植途径：统一高级语言，系列机，模拟与仿真6. 3T性能目标：1TFLOPS计算能力，1TBYTE主存容量，1TBYTE/S的I/O带宽7. 为何没有通用的高级语言：人们不愿抛弃惯用的，长期积累且已被证明是正确的语言8. CISC：复杂指令系统计算机RISC：精简指令系统计算机9. 程序

2、的动态再定位：程序在实际主存空间中的位置可动态移动的定位技术10. 设计指令系统包括：指令功能（操作类型，具体操作），指令格式的确定11. 指令：操作码，地址码两部分组成。12. 指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息13. 缩短指令字中地址码长度的方法：加基址，加变址，相对寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址14. 操作系统中：过热的高频使用的“机构型”功能适合硬化，频度低的或“策略型”功能不适合硬化15. 机构型：基本通用稳定且能定义的功能策略型：不稳定的，会不断改变的功能16. 中断源：引起中断的各种事件17. 输入输出系统包括：输入输出设备，设备控制器与输入输出操作

3、相关的软硬件18. 集中式串行链接方式控制线总数3根，定时查询2+log2N根，独立请求2N+1根19. 数据宽度：取得总线后传送数据总量 数据通路宽度：一个传送周期传送的信息量20. 专用总线：只连接一对物理部件的部线非专用总线：被多个部件所分时共享，同一时一个部件可使用总线通讯21. 高速缓冲存储器：为弥补主存速度不足，在处理机和主存之间设置一个高速，小容量的Cache，构成Cache主存存储层次。22. 阵列处理机特点：利用资源重复；同时性，提高速度；灵活；算法联系紧密。23. SIMD系统互连网络ICN设计的目标：结构简单，成本低；尽量灵活；实现复杂的互连，模块好，扩充性好。24. 全

4、排列网络：实现N个端的所有N！种排列的网络25. 实现全排列网络方法：1.多级互连网络输出端设置锁存器2.将两个多级互连网络（正网络和逆网络）串接起来，合并中间的一级，组成2log2N-1的多级网络26. 多处理机中的并行性表现在：作业；任务；指令级；微操作之间27. 开发多处理机的并行性有：并行算法；编译；操作系统28. 多处理机：具有两台以上的处理机；目的：1.用多台处理机进行多任务处理协同求解一个大而复杂的问题来提高速度；2.依靠冗余的处理机及其重组来提高系统的可靠性，适应性和可用性29. 紧耦合多处理机：通过互连网络共享主存30. 送耦合多处理机：通过共享I/O子系统，通道或通信线路实

5、现机间通信，不共享主存的31. 脉动阵列机：具有脉动阵列结构的处理机32. 脉动阵列机特点：结构简单，扩充性好；通信距离短，并行性高33. MPP：大规模并行处理机，通过互连网络连接，组成的SIMD或MIMD系统34. 机群系统：多个工作站或高档微型计算机使用高速通信网络互连组成的系统35. 智能计算机功能：大容量知识库；并行处理；学习能力；人机界面36. 自定义数据表示包括_标志符数据表示_和_数据描述符_两类。37. 实现软件移植的基本技术有_统一高级语言_、采用系列机、_模拟与仿真_38. 寻址方式指的是指令按什么方式寻找(或访问)到所需的操作数或信息的，具有分别面向_主存_、_寄存器_

6、和堆栈的寻址方式。39. 中断系统的软、硬件功能分配实质是_中断处理_程序软件和_中断响应_硬件的功能分配。40. 总线按用法可分为_专用_和_非专用_两类。41. 根据通道数据传送期中信息传送方式的不同，通道可分为_字节多路_、_选择_和数组多路三类通道。42. 指令解释方式中，指令分析部件_和_指令执行部件_任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式称为一次重叠。43. 根据所用的存储映象算法，虚拟存储器管理方式主要有段式、_页式_和_段页式_三种44. 按弗林(Flynn)提出的计算机系统分类方法，并行处理机属于_单指令流多数据流（SIMD）_系统。45. 多处理机的机间互连一般采用总线

7、、_环形互连_、_交叉开关_、多端口存储器或开关枢纽结构等形式。46. .Von Neumann型计算机是以控制流方式工作的;归约机是基于_数据流_的计算模型47. 在可表示浮点数的正数区间，规格化浮点数的最小正数值由尾数的最小整数值与阶码的_最大正数_组合而成。48. 在中断输入输出方式中，由_执行_程序来完成输入输出工作。49. 页式虚拟存储器中，影响命中率的主要因素有：访问页地址流，页面大小_和分配给该程序的_主存容量_50. 解决重叠和流水中操作数相关的两种基本方法是_法和_猜测_法51. 阵列处理机提高速度主要是靠增大处理单元数，而向量流水处理机提高速度主要是靠缩短_时钟周期52.

8、多处理机机间互连一般采用总线形式、环形互连形式、多端口存储器形式、和开关枢纽结构形式。53. 根据机器内部对函数表达式所用存储方式的不同，可将归约机的归约方式分成_串归约和_图归约两类。54. 引入数据表示的原则，一看系统的效率是否提高，即是否减少了实现时间和_，其次看其_和利用率是否高。55. 主存物理地址是程序在主存中的实际地址，_是程序员编程用的地址。56. 阵列处理机根据存储器的组成方式不同分为_存储器的阵列处理机构形和_存储器的阵列处理机构形。57. 通过控制机构同时解释两条、多条机器指令可以加快机器语言程序的解释。其中_和_是常用的指令解释方式。58. 超标量处理机利用资源重复实现

9、并行处理，超流水线处理则着重开发_的并行性。59. 非专用总线的集中式总线控制方式有_、定时查询和_三种不同方式。60. 根据所用的存储映象算法，虚拟存储器管理方式主要有_页式和_三种。61. 多处理机的操作系统有_、_和浮动型三类。62. 从语义上讲，数据流是基于_和_的一种计算模型。63. 引入数据表示的原则，一是看系统实现软件移植的效率是否提高，即是否减少了_和存储空间，其次是看其通用性和_是否高。64. 逻辑地址是程序员编程用的地址，主存_是程序在主存中的实际地址65. 指令格式优化指的是如何用最短的位数来表示指令的_和_，使程序中指令的平均字长最短。66. 以IBM370系统为例，中

10、断一般可以分成_、访管中断、程序性中断、外部中断、_、重新启动中断几类。67. 输入输出系统有3种方式，即程序控制IO、_和_方式。68. 向量的流水处理方式有横向(水平)处理、_和_。69. 存储器的速度可用访问时间、_和频宽描述70. 流水线按处理的级别可以分为部件级、_和_。71. 流水线处理机相比，阵列处理机利用的是_，而不是时间重叠；利用并行性中的_，而不是并发性。72. 归约机和数据流机都是基于数据流的计算模型，只是采用的驱动方式不同，数据流机是采用_，归约机则是_73. 使用多处理机的主要目的是用多个处理机_执行多个任务来提高_。74. 指令的操作码优化编码方法有_和_。75.

11、在可表示浮点数的负数区间，规格化浮点数的最大负数值由尾数的_与阶码的_组合而成。76. 输入输出系统的发展经历了三个阶段，对应于三种方式，即_、直接存储器访问（DMA）及_方式。77. 若TS是通道的设备选择时间，TD是通道传送一个字节数据的传送时间，P为通道连接的外设台数，n为每台外设需要传送的字节数，那么，字节多路通道完成数据传送的时间Tbyte=_，选择通道完成数据传送的时间Tselect=_。78. Cache存储器系统是由_和_构成的二级存储系统。79. 解释一条机器指令的微操作可归并成取指令、_和_三个部分。80. 分布式存储器结构的并行处理机的每个处理单元PE都有自己的_存储器，

12、只能被_直接访问。81. 根据对数据令牌处理方式的不同，可以把数据流计算机的结构分成_和_两类。计算机系统结构复习资料21. 翻译和解释的区别1） 翻译：将高一机器级变成低一机器级上等效的程序，再低机器级上实现的技术2） 解释：将低一机器级上的一条语句或指令来仿真高一机器级上的一条语句或指令的功能，通过高级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。2. 计算机系统结构的属性包括哪些？（不透明，可以看见的） 数据表示，寻址方式，寄存器组织，指令系统，存储系统组织，中断机构，系统机器级的管态和用户态的定义与切换，系统机器级I/O结构，保护方式和保护机构等。3. 简述计算机系统结构用软件和

13、硬件实现的优缺点？1） 提高软件优点：降低硬件成本，提高计算机利用率，灵活性，适应性2） 提高硬件缺点：提高硬件成本，降低计算机利用率，灵活性，适应性3） 提高硬件优点：提高解题速度，减少存储空间4） 提高软件缺点：降低解题速度，软件费用和存储空间增加4. 简述模拟与仿真1） 模拟：用机器语言解释另一种机器指令系统方式实现软件移植2） 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统5. 多计算机系统与多处理机系统的区别多机系统包含多处理机系统和多计算机系统。1） 多处理机系统：多台处理机组成的单一系统2） 多计算机系统：多台独立的计算机组成的系统6. 简述几种耦合度的特征1） 最低耦合：无物理连接，

14、无共享的联机硬件资源2） 松散耦合：通信线路实现互连，共享某些外围设备3） 紧密耦合：经总线或高速开关互连，共享主存，信息传输速率高，可实现数据，任 务，作业级并行7. 并行性含义与级别含义：解题中具有可同时进行运算或操作的特性，称为并行性。目的：提高计算机解题的效率l 从执行程序的角度，并行性等级由低到高分为四级：1）指令内部：内部微操作之间并行2）指令之间：多条指令并行执行3）任务或进程之间：多个任务或程序段并行执行4）作业或程序之间：多个作业或多道程序的并行l 从处理数据的角度，并行性等级从低到高分为：1） 位串字串：一字一位2） 位并字串：一字多位3） 位片串字并：多字同一位4） 全并

15、行：多字多位l 从信息加工的角度，并行性等级分为：1） 存储器操作并行2） 处理器操作步骤并行3） 处理器操作并行4） 指令，任务，作业并行8. 简述数据表示与数据结构数据表示：能由机器硬件直接识别和应用的数据类型数据结构：数据表示是数据结构的组成元素，不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持。9. 自定义数据表示自定义数据表示包括：标志符数据表示，数据描述符（前三位为“000”表示该字为数据，“101”表示该字为描述符）数据描述符目的：为进一步减少标志符所占存储空间。10. 标志符数据表示的优点：1） 简化了指令系统和程序设计2） 简化了编译程序3） 便于实现一致性校验4） 能由硬件自

16、动变换数据类型5） 支持了数据库的实现与数据类型无关的要求6） 位软件调试和应用软件开发提供了支持11. 三种面向寻址方式的关系1） 面向寄存器寻址：速度最快，增加计算器的硬件开销2） 面向主存寻址：速度较慢，可使用少量寄存器3） 面向堆栈寻址：减轻编译负担，不考虑优化分配，省去命令中的地址字段12. 按CISC方向改进指令系统1） 面向目标程序优化：提高机器语言执行效率，减少目标程序所占空间2） 面向高级语言优化：缩短语义差距和编译时间3） 面向操作系统优化：缩短语义差距，减少运行时间和所占空间13. 简述Huffman压缩概念的基本思想及其优缺点1） 概念：事件发生概率不均等时，对发生概率

17、高的事件用最短位数来表示，对发生概率低的时间用较长位来表示，会导致平均位数缩短2） 优点：信息冗余最少3） 缺点：码长种类多，不易译码，不实用14. 以IBM370系统为例为何将中断分类：为处理一个中断请求，要调出相应的中断处理程序。因为不少中断源性质比较接近，可归成几类，这样可以对每类给定一个中断服务程序入口，再由软件分支转入相应中断处理部分，大大简化中断处理程序入口地址的硬件。IBM370将中断分成6类，它们是机器校验，访管，程序性，外部，输入/输出和重新启动15. 中断的分类1) 机器校验中断：告诉程序发生了设备故障（用64位机器校验中断码指明故障原因和严重性）2) 访管中断：用户程序需

18、操作系统介入时，通过”访管”指令时发生的中断（访管原因由”访管”指令中的8位码指明）3) 程序性中断：指令和数据的格式错，程序执行中出现异常（非法指令，目态下使用管态指令，主存访问方式保护，寻址超过主存容量，各种溢出，除数为”0”，有效位为0等）以及程序的事件几率，监督程序对事件的检测引起的中断（中断码16位）4) 外部中断：来自机器外部，它包括定时器中断，外部信号中断，中断键中断（中断码16位）5) 输入/输出中断：CPU与I/O设备及通道联系的工具，在输入/输出操作完成或I/O通道或设备产生故障时发出（中断码16位）6) 重新启动16. 简单举出集中式串行链接，定时查询和独立请求三种总线控

19、制方式的优缺点1） 串行链接方式：优先次序按“总线可用”线离总线控制器距离的远近次序来定的。优点：算法简单，总线少，价格便宜，可扩充性好缺点：总线失效会导致系统瘫痪，灵活性差2） 定时查询方式优点：优先次序可以由程序控制，灵活性好缺点：控制总线较多，扩充性差，价格较贵，速度慢3） 独立请求优点：速度高，优先次序可改，灵活性好，不会因部件故障使系统瘫痪，可靠性高缺点：总线数多，可扩充性差，价格高17. 通道分为哪三种类型？各适合链接什么类型的设备？数据传送方式通道分字节多路，数组多路，选择通道三类1） 字节多路通道：适合低速设备 通道“数据宽度”为单字节2） 数组多路通道：适合高速设备 通道“数

20、据宽度”为定长块，3） 选择通道：适合中，高速设备 选择通道数据传送方式：数据传送方式以不定长块方式进行，相当于“数据宽度”为可变长块，一次将N个字节全部传送完18. 为什么通常机器中各类中断优先级由高到低依次为机器校验，程序性，外部I/O，重新启动？1） 机器校验不及时处理，系统将无法正常工作2） 程序性中断若其级别低于外部中断和I/O中断，响应过程中可能再次出现程序中断，导致混乱3） I/O中断是局部请求，晚些响应不会造成影响4） 重新启动一般情况下时间并不紧迫19. CPU写Cache时，会发生Cache与主存的对应内容不一致的现象，简述解决这个问题的两种方法以及各需要增加什么开销1）

21、写回法：CPU只写入Cache，不写入主存，当Cache块替换时，先写回主存后再替换。每个Cache块增加一个修改位的资源开销；2） 写直达法：CPU每次写Cache的同时，也通过直接通路写入主存。写主存的时间开销20. 为什么实际频宽不随M增大而线性增大？1） M越大，总线越长，总线负载越重，增加门级数，引发传输延迟2） 当顺序取值时，效率可提高M倍，但是并不总是顺序的，一旦出现转移，效率下降，所以不会21. 简述页面失效与页面争用，什么时候同时发生，什么时候同时不发生1） 页面失效：访问的虚页不在实际主存中时2） 页面争用：当页面调入主存时，主存中页面位置全部已被其他虚页占用时3） 当内存

22、已被全部占用之后，只要发生页面失效，就一定会发生页面争用。反之，发生页面争用，并不会发生页面失效22. 简述段式存储管理的地址变换过程多用户虚地址可分成：程序号，段号，段内偏移量三部分。过程如下：1） 程序号找到相应的段表基址寄存器2） 段表长度与段号比较，检查是否越界。正常下一步3） 段表始址和段号找到段表表项，其中存有主存地址，装入位，访问位，段长，辅存地址等4） 检查装入位是否在主存（”1”），否则产生缺页中断，从辅存中调一段到主存5） 由主存地址+段内偏移形成真正物理地址23. 简述段式存储管理的优缺点优点：1） 分段编制，可并行编程，缩短编程时间2） 各段相对独立，修改，扩充不会影响

23、其他段3） 实现虚拟存储4） 便于共享和分段保护缺点1) 分段管理主存，利用率不高2) 为形成有效地址，需多次访存，降低速度3) 空闲区复杂4) 段表中字段较长，降低查表速度24. 简述页式存储管理的地址变换过程用户逻辑地址分成：用户标志，用户虚页号，页内偏移三部分。过程如下：1） 由用户标志找到页表基址寄存器2） 由页表始址和页号找到页表中表项3） 检查装入位是否为在主存（”1”），否则缺页中断4） 由主存块号和页内偏移形成有效地址25. 简述分页方式的优缺点优点：1） 页表表项短，减少访表时间2） 零头少，速度快缺点：1) 页无逻辑意义，不利于存储保护和扩充2) 多次访存，访存速度下降26

24、. 简述段页式存储管理的地址变换过程用户逻辑地址被分成：用户标志，段号，页号，页内偏移四部分。过程如下：1） 用户标志找到段表基址寄存器2） 段表长与段号作是否越界检查3） 段表始址+段号找到段表中相应表项4） 做装入位，段长的检查5） 由页表始址+页号找到页表中相应表项6） 作装入位等检查7） 实页号+页内偏移形成有效地址27. 简述段页式存储管理的优缺点优点：具有段式，页式的优点缺点：一次有效地址形成需3次访存，速度慢28. 简述页面失效频率算法的思想根据主存页面失效率，动态调度分配给各道程序实页数。当失效率超过某个值时就自动增加主存页数以提高命中率；当主存页面失效率低于某个值时就自动减少

25、页数，以释放出这部分主存页面给其他程序，从而使整个系统利用率提高。29. 简述CPUCache主存层次与CPU主存辅存层次异同相同点：都需地址映像表和地址变换机构不同点：1） 目的2） 地址变换的实现3） 联系方式4） 地址映象表30. 为实现指令重叠解释可能采取哪些办法？简单分析其特点1） 操作数和指令分别存放在两个独立编址且可同时访问的存储器中1） 优点：利于保护2） 缺点：控制复杂，软件设计麻烦2） 指令和操作数混存在多体交叉主存结构中，不再一个分体时就可在一个主存周期取得1） 优点：简单，开销少2） 缺点：同一体时无法重叠3） 增设FIFO工作指令缓冲寄存器1） 优点：微操作分分析和执

26、行两部分2） 缺点：数据相关问题31. 解决通用寄存器数相关有几种方法并比较1） 推后”分析k+1”读（优点：不增加设备；缺点：速度降低）2） 设置”相关专用通路”（优点：速度不变；缺点：设备增加）32. 在”一次重叠”的机器中，会出现哪些相关？如何处理？1） 转移指令与后续指令的相关（减少使用转移指令）2） 指令相关（不允许程序中修改指令）3） 主存空间数相关（申请优先读数）4） 通用寄存器组的数相关（专设相关专用通路）5） 通用寄存器组的变址值一次相关（设置变址值相关专用通路）33. 流水线按级别分成几类？线性流水线与非线性流水线有什么区别？动态流水线与静态流水线有什么区别？l 部件级，处

27、理机级，系统级三类;l 线性流水线间无反馈或越过的通路；l 非线性流水线有反馈回路或前越通路，l 静态和动态流水都是多功能的流水l 动态流水线按一种功能流水未完成之前可重组开始另一种功能的流水l 静态流水线必须等流水线排空之后才可进行功能切换34. 说明解决全局相关的几种方法？1） 猜测法（避免流水线断流 ）2） 加快和提前形成条件码（加快单指令内部条件码形成）3） 延迟转移（用软件方法进行静态指令调度技术）4） 加快短循环的处理（1.将长度小于指缓的短循环程序一次性放入指缓；2让循环出口端的条件转移性指令恒猜循环分支）5） 将一般指令缓冲器和转移用的目标指令缓冲器结合使用35. 流水机器的中

28、断处理有哪两种方法，简述优缺点1） 不精确断点法（优点：控制处理简单，缺点：程序排错不利）2） 精确断点法（优点：利于程序排错，缺点：要大量后援寄存器）36. 试比较几种指令级高度并行的超级处理机1） 超标量处理机：设置多套功能部件，开销大2） 超长指令字处理：不适合于一般应用领域3） 超流水线处理机：必须有高速时钟机制37. 试总结IMB360/91解决流水控制的一般方法，途径和特点1） 总线式分布处理方式2） 途径：设置多条流水线，站号，忙位标志3） 特点：简化控制，硬件；多条流水线采用异步并行，提高性能 38. 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） 重复设置

29、大量处理单元用互联网互连，组成处理单元阵列；2） 对数组，向量中的元素并行处理3） 用高性能处理机进行标量处理和控制互联网络的连接39. 简述ILLIACIV处理单元特点：1） 64个处理单元排成8X8方阵2） 任何PUi直接相连；3） 上下同列两端PU连成环4） 处理单元PU是累加器，并有一个累加寄存器40. 比较互连网络动态拓扑结构的两种形式：1） 动态单级网络（优点：省电设备，缺点：通过时间长，网络控制要求高）2） 动态多级网络（优点：通过实践短，灵活性好。缺点：增加设备成本）41. 多处理机系统与并行处理机系统的主要差别是什么？1） 并行性等级不同；前者是任务级并行；后者是操作级并行。

30、2） 结构灵活性不同；3） 软硬件支持不同42. 多处理机在结构与并行性方面与阵列处理机有什么不同1） 结构方面：阵列处理机互连较规整；多处理更灵活，互连的处理机数量少2） 并行方面：阵列处理机操作级并行，强调同时性 多处理机是作业，程序，任务级的并行，强调并发性43. 比较机间互连的几种形式：1） 总线形式2） 环形互连3） 交叉开关4） 多端口存储器5） 开关枢纽结构44. 简述树形结构进行交换的过程1） 利用交换律把相同的运算集中2） 利用结合律把运算的操作数配对，尽可能运算，组成树高最小的子树3） 把子树结合起来，用分配率降低树高45. 简述JOIN语句和FORK语句基本功能1） FO

31、RK m 的功能1） 准备进程信息2） 分配空闲处理机给新进程，若没有则排队等候3） 在原处理机上执行FORK m语句的原进程2） JOIN n 的功能1） 将计数器初始化为02） 执行一次，计数器+1,并与n比较3） 相等，通过JOIN语句，计数器清零，进程继续4） 不相等，执行JOIN语句的进程结束，释放处理机46. 多处理机操作系统有哪三种类型？属于那种机器多处理机操作系统有主从型，各自独立型和浮动型三类1） 主从型（异构型系统）2） 各自独立型（松耦合多处理机系统）3） 浮动性（紧耦合多处理机系统）47. 分析阵列处理机，单处理机流水，多处理机和单处理机一次重叠方式这四种系统各能打到什

32、么并行性等级，各自遵循何种并行性途径发展而来？1） 阵列处理机：指令操作级的并行，遵循PE资源重复2） 单处理机流水：处理器操作步骤或指令操作步骤上的并行，遵循时间重叠3） 多处理机：任务，作业间并行，遵循时间重叠4） 单处理机一次重叠方式：指令操作级步骤的并行，遵循时间重叠48. 机群系统优点：1） 性价比高2） 开发周期短3） 扩张性好4） 资源利用率高5） 投资风险小6） 编程方便49. 简单比较数据驱动方式和需求驱动方式1） 相同点：都属于数据流模型2） 不同点：1） 数据驱动：按输入数据的可用性决定次序；提前求值策略；系统效率高2） 需求驱动：按数据需求所决定次序。滞后求值策略 50

33、. 简述数据流机特点1） 优点：利于提高并发处理效能；2） 缺点：不保存数据；对高级操作较难管理；设计困难，系统不完善；没有计数器，诊断和维护较难。51. 简述归约机的结构特点1） 归约机：需求驱动的数据流机器，驱动来源是表达式的归约，针对函数程序设计语言的特点，支持函数式程序运行2） 特点：面向函数式语言；具有大容量物理存储器；并行处理52. 简述开发并行性的三种途径1） 时间重叠(多个处理过程在时间上相互错开)2） 资源重复(重复设置硬件资源来提高性能)3） 资源共享(多个用户轮流使用同一套资源，提高其利用率)53. 简述程序的静态再定位和动态再定位的含义及实现方法1） 静态再定位：通过调用装入程序，把目的程序的逻辑地址变换成物理地址的方法称为静态重定位方法。2） 动态再定位：通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基点地址形成物理地址后进行访存的方法称