计算机系统结构考点

第一章计算机系统结构：机器语言程序员所必须了解的机器概念性结构和功能特性。透明性：计算机系统结构具有层次结构性，透明性是指某一层次的观察者通过该层次的广义语言了解和使用机器，而不必关心其内层是如何工作和如何实现各自的功能；或是指在计算机技术中，一种本来存在的事物或原性，但从某种角度看似乎不存在。虚拟计算机：计算机系统结构具有层次结构性，虚拟计算机是指只对某一层次的观察者而存在，通过该层次的广义语言来体现它的功能，并为广义语言提供翻译手段，作用于信息处理和控制对象上，并从对象上获得必要的状态信息的机器。即是指由软件实现的机器。系列机：是指系统结构相同的机器。即以设计好一种系统结构为基础，软件设计者按这种系统结构设计它的系统软件，硬件设计者根据机器的速度、性能、价格，选择相应的器件和采用相应的组成与实现技术，研制并提供相应各档次的机器。耦合度：是用来反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱的概念。计算模型：是指给出完成计算所需遵循的基本规则，其基本内容是数据传递（即类型有共享存储和专用存储）和驱动方式（即控制机制）两个方面。什么是软件兼容？它有哪些类型？软件兼容是指同一个软件（目标程序）可以不加修改地运行于系统结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。软件兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。什么是并行性？它包括哪两层含义？可从哪几个方面进行分类？并行性是指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性和并发性两层含义。可从按执行程序的并行性、按处理数据的并行性和按信息加工步骤的并行性等三个方面进行分类。多计算机系统和多处理机系统的主要差别有哪些？一是在操作系统方面，多计算机系统的各个计算机分别受各自独立的操作系统控制，而多处理机系统由统一的操作系统控制。二是在存储器方面，多计算机系统的各个计算机分别受各自独立的存储器，完全执行各自独立的程序；而多处理机系统的各台处理机共享同一主存并有各自的控制部件，可以执行各自独立的程序。三是在信息交换方面，多计算机系统的各个计算机之间通过通道或通信线路进行通信，以文件或数据集的形式交互作用；而多处理机系统由于共享主存，各处理机和它们执行的程序之间不但能以文件和数据集的形式实现交互作用，也能以向量或单个数据的形式实现交互作用。四是在并行性的级别方面，多计算机系统通过批量数据的交互作用，实现作业、任务级的并行；而多处理机系统不仅可实现任务级并行，还由于共享主存，可以实现同一任务中的指令间的并行，直至可以同时执行多条指令对同一数组进行的数据全并行处理。计算机系统设计的主要方法有哪些？主要有由下往上、由上往下、由中间开始等三种。什么是软件的可移植性？实现的基本方法有哪些？软件的可移植性是指软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。简述数据流计算机指令的组成结构。数据流计算机的指令由操作包和数据令牌两部分组成，而操作包由操作码、一个或几个源操作数以及后继指令地址等组成，数据令牌则由结果数值和目标地址组成。什么是数据流计算机？简述它的基本特性。数据流计算机是指采用数据驱动方式工作的机器，即任何指令只要它所需要的操作数全部齐备且可用时，就可以同时执行。它的基本特性有异步性、并行性、函数性和局部性。数据流计算机的结构模型有哪两种？它们的主要差别是什么？按照对数据令牌的不同处理方法，数据流计算机通常分为静态数据流计算机和动态数据流计算机。它们的主要差别是在于采用了两种不同的通信方式和两种不同的同步方式，具体地说在动态数据流计算机中的数据令牌带有标志，而静态数据流计算机中的数据令牌不带有标志。怎样理解计算机系统的层次结构性？把计算机系统结构按功能划分为多个层次，有利于正确理解计算机系统的工作，明确软件、硬件和固件在计算机系统中的地位和作用，有利于理解各种语言的实现及其实质，有利于探索新的虚拟机实现方法，设计新的计算机系统。第二章数据表示：数据表示是指由计算机硬件能直接识别、指令系统能引用的数据类型。操作码的编码方法有哪些？其各自特点是什么？操作码的表示方法有3种，即定长操作码、Huffman编码和扩展编码。定长码的规整性最好，Huffman编码的信息冗余量最小，等长扩展编码的信息冗余量较小，规整性也好，便于实现硬件译码，便于与地址码配合形成规则的指令格式。试述浮点数据中的尾数基值队数据表示的影响。尾数基值取大，会扩大浮点数的表示范围、增加可表示数的个数、减少移位次数、降低右移造成的精度损失和提高运算速度，但会降低数据的表示精度，数值的分布变稀。标志符数据表示与描述符数据表示有何区别。标志符只作用于一个数据，与数据合存于同一存储单元，描述单个数据的类型特性；而描述符是与数据分开存放的，独立占据一个存储单元，用于描述所要访问的一组数据的属性。堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？类型优点缺点堆栈型一种表示计算的简单模型，指令短小不能随机访问堆栈，难以生成有效代码累加器型减少机器内部状态，指令短小累加器是唯一的，通信开销大寄存器型代码生成的最一般模型操作数均要命名且显式表示，指令较长简述RISC计算机指令集结构功能设计的原则及其釆用的关键技术。RISC计算机指令集结构的功能设计的基本原则有：（1）选取使用频率高的指令，并补充一些最有用的指令。（2）每条指令的使用应尽可能简单，并在一个机器周期内完成。（3）所有指令长度应相同。（4）只有LOAD和STORE操作指令才访问存储器，其他指令操作均在寄存器之间进行。（5）以简单有效的方式支持高级语言。RISC的关键技术有重叠寄存器窗口技术、指令的执行釆用流水和延迟转移技术、硬连逻辑为主的指令实现技术、RISC优化编译技术。第三章一次重叠：指在任何时刻，处理机中之多只有两条指令同时执行。二次重叠：指在任何时刻，处理机中之多只有3条指令同时执行。静态流水线：指在同一段时间内，多功能流水线只能按一种方式连接，实现一种功能。动态流水线：指在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以实现多种连接，同时执行多种功能。顺序流动：指任务从流水线流出的次序同流入流水线的次序一样。异步流动：指任务从流水线流出的次序同流入流水线的次序不一样，也称为乱序流动或错序流动。不精确断点：精确断点：冲突向量：表示流水线中的任务对为进入流水线的后继任务流入流水线的时间间隔的约束，它是非线性流水线中所有禁止与允许的启动距离用二进制数的形式来表示。静止启动距离：引起非线性流水线流水段冲突的启动距离称为禁止启动距离。什么是流水线？简述流水线的特点。流水线是指把一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其它过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行的工作方式。实现流水线的技术方法称为流水线技术。它的特点主要有：（1）流水线中各功能段的时间应尽量相等，否则将引起“堵塞”、“断流”等（2）流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。（3）只有连续不断地提供同种任务才能充分发挥流水线的效率。（4）在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器、闸门寄存器等。什么是先行控制？简述处理机采用先行控制的基本原理，描述实现先行控制的基本结构。先行控制是指通过对任务的预处理和缓冲，以平滑功能部件工作速度上的差异，使功能部件能独立地工作，并始终处于忙碌状态，提高任务执行的速度。它实质是缓冲技术和预处理技术相结合的结果。先行控制方式的基本原理是：当流水线中某功能段的延迟时间较长时，该功能段前面的功能段对后继任务进行预处理，预处理好的后继任务置于缓冲器中。而该功能段后面的功能段则对以前置于缓冲器的任务进行后行处理。这样，所有的功能段都处于忙碌状态。某任务的流程中，各功能段之间有等待的时间间隔，但各自的流程是连续的。当然，如果前面功能段的缓冲器已满，或者后面功能段没有后行处理任务，流水线仍是不流畅的。实现先行控制的基本结构如下图所示。口口什么是数据相关？它有哪几种类型？数据相关是指在流水线的机器中，程序中相近的两条指令要对同一存储单元进行操作时，应有一定的先后次序，否则会导致数据供求关系上的冲突，引发程序执行错误。这种相关主要有“先写后读”相关、“先读后写”相关和“写一写”相关三种。由于数据相关对程序执行过程影响较小，仅涉及到相应指令的前后一条或几条指令的执行，所以又称为局部相关。什么是控制相关？它有哪几种类型？控制相关是指在流水线的机器中，由于转移指令或中断引起程序执行方向的改变，使得转移指令或中断引起的断点指令与后续指令不能同时在流水线中执行。它包括转移相关和中断相关两种。由于控制相关对程序执行过程影响较大，可能改变程序的执行方向，所以又称为全局相关。流水线的性能指标有哪些？之间的关系如何？流水线性能的主要指标有吞吐率（TP）、加速比（S）和效率（E）。E=TP*tE=S/k第四章程序局部访问性：包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指程序在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息。空间局部性是指程序在最近的未来要用到的信息与现在正在使用的信息很可能在程序空间上式相邻或相近的。相联存储器：指按存储字的全部或部分内容寻址的存储器。虚拟地址Cache存储系统：指把Cache、主存和磁盘三个存储器组织成一个“Cache-主存-磁盘”存储系统的结构。什么是存储系统？构建存储系统的目的是什么？简述存储系统的层次结构及其典型结构。存储系统是指把两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件或软件或硬件与软件相结合的方法有机地连接起来的一个集合。构建存储系统的目的是使该存储器集合对应用程序员仍是透明的，但具有速度高、容量大、价格低的特性。存储系统的层次结构就是将各种类型的存储器，按存储器的特性依照速度大小排列组织在一起，构成一个存储器集合，如下图所示。其典型结构是由高速缓冲存储器、主从外部看：存储周期T〜MIN（T、T、…、Tn）；存储容量S〜MAX（S、S、…、Sn）；1212每位价格C〜MIN（C、C、…、Cn）。12存储器和磁盘存储器（辅存）构成一个三级的典型存储系统，其结构示意图如下图所示。Cache存储系统-ICache存储系统-IL虚拟存储系统简述两个独立的两级存储系统的比较。1）一次性交换数据的数量不同。（2）两级存储器之间的速度比不同。（3）访问不命中时CPU访问的通路不同。（4）设置的目标不同。Cache存储系统是以提高速度为目标，以使存储系统的速度与CPU相匹配，即面对CPU；虚拟存储系统是以扩大容量为目标，以满足用户的需要，即面对用户。（5）实现的方式一般不同。Cache存储系统工作时所需要的管理功能是由硬件实现的，虚拟存储系统工作时所需要的管理功能是由软件实现的。（6）透明性不同。Cache存储系统对系统程序员和应用程序员都是透明的，而虚拟存储系统仅对程序员是透明的。什么是Cache的一致性？分析引起Cache不一致的原因。解决Cache不一致的方法有哪些?Cache的一致性是指Cache存放的内容作为主存中的部分副本，应该主存中的内容始终保持一致。引起Cache不一致的原因主要有：①CPU写Cache:②I/O写主存。解决Cache不一致的方法有：①写Cache命中时的写直达法和写回法；②写Cache不命中时的不按写分配法和按写分配法。什么是Cache存储系统？它有哪几种地址映像规则？试比较这几种映像规则。由Cache和主存组成的“Cache——主存”存储系统称为Cache存储系统。有全相联、直接相联和组相联3种映像规则。全相联映像方式发生两个主存块争用一个Cache块位置的块冲突的概率较低，Cache存储器的空间利用率也叫高；但是随容量的越来越大使得地址变换的速度降低；直接相联映像方式的优点是硬件实现简单，不需要相联存储器，地址变换的速度也较快，但是块冲突率比较高；组相联映像方式具有块冲突的概率较低、地址变换的速度较快和映像关系比较复杂的特点，直接相联映像和全相联映像方式是它的两种极端情况。第五章互连函数：函数表示法是把互连网络中输入输出的变换关系通过数学表达式表示，若用x表示输入端变量，则用函数f(x)表示输出端变量，函数f(x)称为互连函数。结点度：与该结点相连接的边(即链路或通道)数称为结点度。逻辑链路：就是数据链路，是物理链路加上必要的通信规程。*不太确定答案。虚拟通道：指两个结点间的逻辑链，它由源结点的片缓冲区、结点间的物理通道以及接收点的片缓冲区组成。包冲突：指当多个包在某个结点为竞争缓冲区或通道而发生的现象。什么是互连网络？它的基本特征包括哪几个方面？可用哪些方法来描述。答：互连网络是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接及信息交换。它的基本特征包括定时方式、交换方法、控制策略和拓扑结构。可用图形表示法、对应表示法和函数表示法来描述。动态互连网络的互连形式有哪几种？试比较它们间的差异。答：动态互联网络的互连形式主要有总线、交叉开关互连和多级交叉开关互连三种。总线容易产生故障，价格较低，带宽较窄。交叉开关的硬件复杂性为n2数量级，造价昂贵。但是其带宽和寻径性能在这三种动态网络中最好。多级互连网络是二者的折衷。它的主要优点在于采用模块结构，可扩展性好。第六章单发射：指在一个时钟周期内平均至多仅能发射一条指令。多发射：指在一个时钟周期内能发射多条指令。按序发射：启动指令进入执行段的顺序与取指顺序一致。无须发射：启动指令进入执行段的顺序与取指顺序不一致。什么是指令级高度并行？实现标量指令集并行的技术方法有哪些？答：指令级高度并行是指细粒度并行性，包含时间并行技术和空间并行技术。实现标量指令级并行的技术方法有时间重叠、资源重复和资源共享。什么是标量处理机？它有哪些类型？答：只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。它有普通标量处理机、超流水线标量处理机、超标量标量处理机、超流水线超标量标量处理机、超长指令字标量处理机以及传统的串行标量处理机等多种类型。什么是向量处理机？向量处理机的基本结构有哪些？答：具有向量数据表示和向量指令系统的处理机称为向量处理机。向量处理机的结构有:存储器—存储器结构和寄存器—寄存器结构两种。什么是向量处理？向量处理方式有哪几种？各有什么特点？答：向量处理时执行向量操作的硬件资源对向量进行算术或逻辑运算。向量处理方式有横向处理方式、纵向处理方式和纵横处理方式3种。横向处理不适合于向量流水线处理,纵