计算机体系结构考试范围

第1章计算机系统结构的基本概念名词解释：计算机系统结构概念：Amdahl提出的系统结构传统机器语言级程序员所看到的计算机属性计算机系统结构，计算机组成，计算机实现三者关系计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性计算机组成：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。着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。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。着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。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。例如，IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。计算题：Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比（P7页）。向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。向后兼容是系列机的根本特征。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。机器档次A高）向上兼容 当前机器丿向下兼容m 向前兼容;向后兼容低 厂、 王 a 鱼一时间并行性：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。同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1） 指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。（2） 指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。（3） 线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段）以子程序或进程为调度单元。（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。填空题：提高并行性的技术途径:a时间重叠b资源重复c资源共享紧密耦合和松散耦合（P23页）了解第2章计算机指令集结构简答题：增强CISC指令功能主要是从以下几个方面着手：面向目标程序增强指令功能a增强运算型指令的功能；b增强数据传送指令的功能；c增强程序控制指令的功能，丰富的程序控制指令为编程提供了多种选择。CISC指令集结构存在的问题（1）各种指令的使用频度相差悬殊（2）指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂，使得控制器硬件非常复杂。导致的问题：a占用了大量的芯片面积（如占用CPU芯片总面积的一半以上），给VLSI设计造成很大的困难；b增加了研制时间和成本，容易造成设计错误。（3）许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢。采用这些复杂指令有可能使整个程序的执行时间反而增加。（4）由于指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水技术来提高性能。设计RISC机器遵循的原则（1） 指令条数少而简单。只选取使用频度很高的指令，在此基础上补充一些最有用的指令。（2） 采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式；指令字长都为32位或64位。（3） 指令的执行在单个机器周期内完成。（采用流水线机制）（4） 只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行。（即采用load-store结构）（5） 大多数指令都采用硬连逻辑来实现。（6） 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码。（7） 充分利用流水技术来提高性能。名词解释：数据表示：是计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。所有数据类型中最常用、相对比较简单、用硬件实现比较容易的几种MIPS的寄存器（了解）P43页MIPS的数据寻址方式有那四种？寄存器寻址、立即数寻址、偏移量寻址寄存器间接寻址哈弗曼编码方法的计算（1）码长表示法（2）码点表示法第3章流水线技术名词解释：什么是流水线？把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他的子过程并行进行流水技术的特点（1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程（段），每个子过程由一个专门的功能部件来实现。（2）流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流。时间长的段将成为流水线的瓶颈。（3）流水线每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器（锁存器），称为流水寄存器。作用：在相邻的两段之间传送数据，以保证提供后面要用到的数据，并把各段的处理工作相互隔离。（4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5）流水线需要有通过时间和排空时间。通过时间：第一个任务从进入流水线到流出结果所需的时间。排空时间：最后一个任务从进入流水线到流出结果所需的时间。填空题：从不同的角度和观点，把流水线分成多种不同的种类。（1） 单功能流水线与多功能流水线（按照流水线所完成的功能来分类）单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。（2） 静态流水线与动态流水线（按照同一时间内各段之间的连接方式对多功能流水线做进一步的分类）（3） 部件级、处理机级及处理机间流水线（按照流水的级别来进行分类）a部件级流水线（运算操作流水线）；b处理机级流水线（指令流水线）；c处理机间流水线（宏流水线）；（4）线性流水线与非线性流水线（按照流水线中是否有反馈回路来进行分类）（5）顺序流水线与乱序流水线（根据任务流入和流出的顺序是否相同来进行分类）流水线相关有3种类型：a数据相关（也称真数据相关）、b名相关、c控制相关P71—72页流水线冲突有3种类型：a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。b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。c控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。计算题：流水线的性能指标：吞吐率、加速比、效率P61—65页书上P109页3・12和3・14题第4章指令级并行名词解释：什么叫指令调度？保持相关，但避免发生冲突。通过代码变换，消除相关解答题：动态分支预测技术（1） 所开发的ILP越多，控制相关的制约就越大，分支预测就要有更高的准确度。（2） 动态分支预测：在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。如果分支行为发生了变化，预测结果也跟着改变。有更好的预测准确度和适应性。（3） 分支预测的有效性取决于：a预测的准确性，b预测正确和不正确两种情况下的分支开销，决定分支开销的因素：a流水线的结构，b预测的方法，c预测错误时的恢复策略等（4） 采用动态分支预测技术的目的，a预测分支是否成功，b尽快找到分支目标地址（或指令）（避免控制相关造成流水线停顿）（5） 需要解决的关键问题：a如何记录分支的历史信息；b如何根据这些信息来预测分支的去向（甚至取到指令）。（6） 在预测错误时，要作废已经预取和分析的指令，恢复现场，并从另一条分支路径重新取指令。填空题：多流出处理机有三种基本风格：超标量（Superscalar），超长指令字VLIW（VeryLongInstructionWord）和超流水。指令多流出处理器受哪些因素的限制呢？主要受以下三个方面的影响：a程序所固有的指令级并行性。b硬件实现上的困难。c超标量和超长指令字处理器固有的技术限制。循环展开和指令调度时要注意以下几个方面：（1） 保证正确性。在循环展开和调度过程中尤其要注意两个地方的正确性：循环控制，操作数偏移量的修改。（2） 注意有效性。只有能够找到不同循环体之间的无关性，才能有效地使用循环展开。（3） 使用不同的寄存器。（否则可能导致新的冲突）（4） 删除多余的测试指令和分支指令，并对循环结束代码和新的循环体代码进行相应的修正。（5） 注意对存储器数据的相关性分析。例如：对于load指令和store指令，如果它们在不同的循环迭代中访问的存储器地址是不同的，它们就是相互独立的，可以相互对调。（6） 注意新的相关性。由于原循环不同次的迭代在展开后都到了同一次循环体中，因此可能带来新的相关性。第5章存储层次名词解释：什么叫字块放置技术1、 Cache—主存”与“主存一辅存”层次的区别P157—158页2、 映象规则a全相联映象特点：空间利用率最高，冲突概率最低，实现最复杂。b直接映象特点：空间利用率最低，冲突概率最高，实现最简单。

c组相联映象P159—160页3、 主要的替换算法有三种P163页（了解）a随机法优点：实现简单b先进先出法（FIFO）c最近最少使用法LRU选择近期最少被访问的块作为被替换的块。（实现比较困难）实际上：选择最久没有被访问过的块作为被替换的块。优点：失效率低。LRU和随机法的失效率的比较4、 减少三种失效的方法a强制性失效：增加块大小，预取（本身很少）b容量失效：增加容量（抖动现象）c冲突失效：提高相联度（理想情况：全相联）5、Cache优化技术总结P201页优化技术失效率失效开销命中时间硬件复杂度说明增加块大小+—0实现容易;Pentium4的第二级Cache采用了128B的块增加Cache容量+被广泛采用，特别是第二级Cache提高相联度+—1被广泛釆用VictimCache+2AMDAthlon釆用了8个项的VictimCache伪相联Cache+2MIPSR10000的第二级Cache釆用硬件预取指令和数据+2〜3许多机器预取指令，UltraSPARCHI预取数据优化技术失效率失效开销命中时间硬件复杂度说明编译器控制的预取+3需同时采用非阻塞Cache；有几种微处理器提供了对这种预取的支持用编译技术减少Cache失效次数+0向软件提出了新要求；有些机器提供了编译器选项使读失效优先于写+1在单处理机上实现容易，被广泛釆用写缓冲归并+1与写直达合用，广泛应用，例如21164,UltraSPARC尽早重启动和关键字优先+2被广泛釆用非阻塞Cache+43在支持乱序执行的CPU中使用优化技术失效率失效开销命中时间硬件复杂度说明

两级Cache+2硬件代价大；两级Cache的块大小不同时实现困难；被广泛采用容量小且结构简单的Cache+0实现容易，被广泛采用对Cache进行索引时不必进行地址变换+2对于小容量Cache来说实现容易，已被Alpha21164和UltraSPARCIU采用流水化Cache访问+1被广泛采用TraceCache+3Pentium4采用＋”号：表示改进了相应指标。“－”号：表示它使该指标变差。空格栏：表示它对该指标无影响。复杂性：0表示最容易，3表示最复杂第6章输入/输出系统填空或选择：I、I/O系统的可靠性、可用性和可信性（了解）简答题：1、根据信息传送方式的不同，将通道分为三种类型，三种类型的通道与CPU、设备控制器和外设的连接关系（1）字节多路通道a为多台低速或中速的外设服务。b以字节交叉的方式分时轮流地为它们服务。c字节多路通道可以包含多个子通道，每个子通道连接一台设备控制器。（2）选择通道a为多台高速外围设备服务。b在一段时间内只为一台高速外设独占使用。c选择通道的硬件包括5个寄存器、格式变换部件及通道控制部件（3）数组多路通道a适用于高速设备。b每次选择一个高速设备后传送一个数据块，轮流为多台外围设备服务。c数组多路通道之所以能够并行地为多台高速设备服务，是因为虽然其所连设备的传输速率很高，但寻址等辅助操作时间很长。判断题：看课本P225--226页RAID的分级及其特性RAID级别可以容忍的故障个数以及当数据盘为8个时，所需要的检测盘的个数优点缺点公司产品0非冗余，条带存放0个故障；0个检测盘没有空间开销没有纠错能力广泛应用1镜像1个故障；8个检测盘不需要计算奇偶校验，数据恢复快，读数据快。而且其小规模写操作比更高级别的RAID快检测空间开销最大（即需要的检测盘最多）EMC,HP(Tandem)，IBM2存储器式ECC1个故障；4个检测盘不依靠故障盘进行自诊断检测空间开销的级别是log2m级（m为数据盘的没有

个数)3位交叉奇偶校验1个故障；1个检测盘检测空间开销小(即需要的检测盘少)，大规模读写操作的带宽高对小规模、随机的读写操作没有提供特别的支持外存概念第7章互连网络名词解释：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中结点之间的相互连接。这些结点可以是处理器、存储模块或其他设备。填空：1、看看课本中P253—255页中的交换函数和均匀洗牌函数交换函数：实现二进制地址编码中第Exx・交换函数：实现二进制地址编码中第Exx・・xxx・・xx位互反的输入端与输出端之间的连接x・・xxx・・xn-1n2 kkAn-1n2 kkA 10n-1nA klkkA 10主要用于构造立方体互连网络和各种超立方体互连网络。它共有n=log2N种互连函数。(N为结点个数)当N=8时，n=3可得到常用的立方体互连函数：Cxxx=xx0(2主要用于构造立方体互连网络和各种超立方体互连网络。它共有n=log2N种互连函数。(N为结点个数)当N=8时，n=3可得到常用的立方体互连函数：Cxxx=xx0(2\x10)=210xxxx1(2x10)=210xxxx2210210N=8的立方体交换函数0二■<01 1A<23二K二4\o"CurrentDocument"5二z：67(a)C0交换函数0123456701234567(c)C2交换函数均匀洗牌函数：将输入端分成数目相等的两半，前一半和后一半按类似均匀混洗扑克牌的方式交叉地连接到输出端(输出端相当于混洗的结果)。函数关系』 )SVxx•…xx7=xx•…xxxn-1n-210 n-2n-3 10n-1即把输入端的二进制编号循环左移一位。N=8的均匀洗牌和逆均匀洗牌函数逆均匀洗牌函数：将输入端的二进制编号循环右移一位而得到所连接的输出端编号。0123456701234567012345670123456(a)均匀洗牌函数(b)逆均匀洗牌函数互连函数xn-1n-2xx)=xx10 0n-1n-2逆均匀洗牌是均匀洗牌的逆函数2、互连网络的主要特性参数有：（1）网络规模：网络中结点的个数。表示该网络所能连接的部件的数量。（2）结点度：与结点相连接的边数（通道数），包括入度和出度。进入结点的边数称为入度。从结点出来的边数称为出度。（3）距离：对于网络中的任意两个结点，从一个结点出发到另一个结点终止所需要跨越的边数的最小值。（4）网络直径：网络中任意两个结点之间距离的最大值。网络直径应当尽可能地小。（5）结点之间的线长：两个结点之间连线的长度，用米、千米等表示。（6）等分宽度：当某一网络被切成相等的两半时，沿切口的边数（通道数）的最小值称为通道等分宽度，用b表示。线等分宽度：B=bXw其中：w为通道宽度（用位表示）。该参数主要反映了网络最大流量。（7）对称性：从任何结点看到的拓扑结构都是相同的网络称为对称网络。对称网络比较容易实现，编程也比较容易。课本P257弄清楚线性阵列和环和带弦环。第8章多处理机根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD计算机分为两类：（每一类代表了一种存储器的结构和互连策略）（1）集中式共享存储器结构 a最多由几十个处理器构成。b通过大容量的Cache和总线互连使各处理器共享一个单独的物理存储器。（2） 分布式存储器结构每个结点包含：