計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(張晨曦)簡(jiǎn)答題

1、第 1 章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1. 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)？第 6 級(jí)L6：應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)第 5 級(jí)L5：高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)第 4 級(jí)L4：匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)第 3 級(jí)L3：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)第 2 級(jí)L2：機(jī)器語(yǔ)言(傳統(tǒng)機(jī)器級(jí))第 1 級(jí)L1：微程序機(jī)器級(jí)從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成以下多級(jí)層次結(jié)構(gòu)：2. 硬件和軟件在什么意義上是等效的？在什么意義上是不等效的？硬件和軟件在功能實(shí)現(xiàn)上是等效的，即一種功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)性能上是不等效的。軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)容易、改進(jìn)簡(jiǎn)單；硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是速度快。3. 經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是什么？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件

2、界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。4. 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)是什么？翻譯和解釋是語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)。它們都是以執(zhí)行一串級(jí)指令來實(shí)現(xiàn) N+1 級(jí)指令，但二者存在著差別：翻譯技術(shù)是先把 N+1 級(jí)程序全部變換成 N 級(jí)程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的 N 級(jí)程序，在執(zhí)行過程中 N+1 級(jí)程序不再被訪問。而解釋技術(shù)是每當(dāng)一條 N+1 級(jí)指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的N 級(jí)指令，然后再去取下一條 N+1 級(jí)的指令，依此重復(fù)進(jìn)行。在這個(gè)過程中不產(chǎn)生翻譯出來的程序，因此解釋過程是邊變換邊執(zhí)行的過程。5. 對(duì)于通用寄存器型機(jī)器來說，機(jī)器語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)的屬性

3、主要有哪些？(1) 數(shù)據(jù)表示(2) 尋址規(guī)則(3) 寄存器定義(4) 指令集(5) 中斷系統(tǒng)(6) 機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換(7) 存儲(chǔ)系統(tǒng)(8) 信息保護(hù)(9) I/O 結(jié)構(gòu)6. 什么是軟件兼容？軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時(shí)間的不同。軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。其中向后兼容是軟件兼容的根本特征。7. 什么是系列機(jī)？它的出現(xiàn)較好地解決了什么矛盾？系列機(jī)是指在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。它的出現(xiàn)較好地解決

4、了軟件要求環(huán)境穩(wěn)定和硬件、器件技術(shù)迅速發(fā)展之間的矛盾。8. 對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展非常關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有哪些？（1） 邏輯電路（2） 半導(dǎo)體 DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器)（3） 磁盤（4） 網(wǎng)絡(luò)9. 實(shí)現(xiàn)軟件移植的主要途徑有哪些？(1) 采用系列機(jī)方法(2) 采用模擬與仿真方法(3) 采用統(tǒng)一的高級(jí)語(yǔ)言10. 試以系列機(jī)為例，說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成；一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。同一系列機(jī)中各種型號(hào)的機(jī)器具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但采用不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，因而具有不同的性能和價(jià)格。

5、11. 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)是什么？（1）以運(yùn)算器為中心。（2）采用存儲(chǔ)程序原理。程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中，并且沒有對(duì)兩者加以區(qū)分。（3）存儲(chǔ)器是按地址訪問的、線性編址的空間。（4）控制流由指令流產(chǎn)生。（5）指令由操作碼和地址碼組成。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數(shù)和操作結(jié)果的地址。（6）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。12. 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況看，新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從哪兩方面著手？新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從以下兩方面著手：一方面是合理地增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件的功能比例，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言甚至應(yīng)用軟件提供更多更好的支持；另一方面則是通過多種途徑

6、提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性等級(jí)，使得凡是能并行計(jì)算和處理的問題都能并行計(jì)算和處理，使這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成對(duì)算法提供更多、更好的支持。13. 軟件技術(shù)兩個(gè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)是什么？(1) 程序及數(shù)據(jù)所使用存儲(chǔ)器容量的不斷增大。(2) 高級(jí)語(yǔ)言的使用越來越廣泛，在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代了匯編語(yǔ)言。14. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來自哪幾個(gè)方面？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)工具、制造工藝、軟件、應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面。15. 一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期是怎樣的？計(jì)算機(jī)的生命周期和系統(tǒng)中各個(gè)部分的發(fā)展密切相關(guān)。一種新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的誕生，往往以硬件為標(biāo)志，它的發(fā)展和成熟，是以配套的系

7、統(tǒng)軟件和應(yīng)用為標(biāo)志的。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生到消亡，大致需要 1520 年的時(shí)間。16. 用戶 CPU 時(shí)間由哪三個(gè)因素決定？用戶 CPU 時(shí)間 = CPI IC / 時(shí)鐘頻率其中，CPI：指令時(shí)鐘數(shù)IC：程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)。17. 什么是測(cè)試程序組件？在評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最常見的測(cè)試程序組件是哪個(gè)？選擇一組各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序，組成一個(gè)通用測(cè)試程序集合。這種測(cè)試程序集合稱為測(cè)試程序組件。在評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最常見的測(cè)試程序組件是基于 UNIX 的 SPEC，其主要版本包括 SPEC89、SPEC92、SPEC95 和 SPEC2000 等。18. SPEC2000 測(cè)

8、試程序組件中包括哪幾個(gè)測(cè)試程序組件？（1）SPEC CPU2000：測(cè)試 CPU；（2）SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL 庫(kù)的性能；（3）SPECapc：測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能；（4）SPECSFS：基于 NFS 文件系統(tǒng)的文件服務(wù)器測(cè)試程序；（5）SPECWeb：Web 服務(wù)器測(cè)試程序。19. 測(cè)試基于 Microsoft 公司的 Windows 系列操作系統(tǒng)平臺(tái)的最常用測(cè)試組件有哪些？（1）PCMark04 包括中央處理器測(cè)試組、內(nèi)存測(cè)試組、圖形芯片測(cè)試組、硬盤測(cè)試組等。（2）Business Winstone 2004 主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的綜合性

9、能。（3）Multimedia Content Creation Winstone 2004 主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多媒體應(yīng)用的綜合性能。（4）SiSoft Sandra Pro 2004：一套功能強(qiáng)大的系統(tǒng)分析評(píng)比工具，擁有超過 30 種以上的分析與測(cè)試模組，主要包括 CPU、存儲(chǔ)器、I/O 接口、I/O 設(shè)備、主板等。20. 常用的專門的性能指標(biāo)測(cè)試程序有哪些？3DMark03 主要測(cè)試顯卡性能和 DirectX 的性能。Prime95 是用來估計(jì)分布式計(jì)算程序的通信情況，可使計(jì)算機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所以也用來測(cè)試計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性。SuperPi/SuperE 是計(jì)算圓周率 /自然指數(shù) e 的軟件

10、，通常用來測(cè)試 CPU 的穩(wěn)定性。21. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？（1）大概率事件優(yōu)先原則：對(duì)于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。（2）Amdahl 定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。22. 根據(jù) Amdahl 定律，系統(tǒng)加速比由哪兩個(gè)因素決定？系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素：（1）可改進(jìn)比例：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例。（2）部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提高。23. 從執(zhí)

11、行程序的角度看，并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級(jí)從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行。（2）指令級(jí)并行（Instruction Level Parallelism，ILP）：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。（3）線程級(jí)并行（Thread Level Parallelis m，TLP）：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。（4）任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。（5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。24. 從處理數(shù)據(jù)的角度，

12、并行性等級(jí)從低到高可以分為哪幾級(jí)？從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級(jí)從低到高可以分為：（1）字串位串：同時(shí)只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。（2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理。（3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱位片）進(jìn)行處理。（4）全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部或部分位進(jìn)行處理。25.Flynn 分類法把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為哪 4 類？（1） 單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD，Single Instruction stream Single Data stream）。（2） 單指令流多數(shù)據(jù)流（SIM D，Single Instruction stream M ultiple Data stream）。

13、（3） 多指令流單數(shù)據(jù)流（M ISD，M ultiple Instruction stream Single Data stream）。（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（M IM D，Multiple Instruction stream M ultiple Data stream）。26.常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類法有哪兩種？分類的依據(jù)是什么？Flynn 分類法：按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。馮氏分類法：用系統(tǒng)的最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。27. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有哪三種？（1）時(shí)間重疊。多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度

14、。（2）資源重復(fù)。通過重復(fù)設(shè)置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。（3）資源共享。這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。28. 多機(jī)系統(tǒng)的耦合度可以分為哪幾類？（1）最低耦合：除通過某種中間存儲(chǔ)介質(zhì)之外，各計(jì)算機(jī)之間沒有物理連接，也無共享的聯(lián)機(jī)硬件資源。（2）松散耦合：通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間互連，共享某些外圍設(shè)備，機(jī)間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)進(jìn)行。（3）緊密耦合：機(jī)間物理連接的頻帶較高，往往通過總線或高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，可以共享主存。29. 單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)中，都是按哪三種技術(shù)途徑分別發(fā)展為哪三類多處理機(jī)？單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)中，都是按時(shí)

15、間重疊、資源重復(fù)和資源共享三種技術(shù)途徑，分別發(fā)展為同構(gòu)型多處理機(jī)、異構(gòu)型多處理機(jī)、分布處理系統(tǒng)。30. 三種類型的多處理機(jī)（同構(gòu)型多處理機(jī)、異構(gòu)型多處理機(jī)、分布處理系統(tǒng)）的主要區(qū)別是什么？項(xiàng)目同構(gòu)型多處理機(jī)異構(gòu)型多處理機(jī)分布處理系統(tǒng)目的提高系統(tǒng)性能提高系統(tǒng)使用效率兼顧效率與性能（可靠性、速度）技術(shù)資源重復(fù)時(shí)間重疊資源共享途徑（機(jī)向互連）（功能專用化）（網(wǎng)絡(luò)化）組成同類型不同類型不限制（同等功能）（不同功能）分工方式任務(wù)分布功能分布硬件、軟件、數(shù)據(jù)等各種資源分布工作方式一個(gè)作業(yè)由多機(jī)一個(gè)作業(yè)由多機(jī)一個(gè)作業(yè)由一臺(tái)處理機(jī)完協(xié)同并行地完成協(xié)同串行地完成成，必要時(shí)才請(qǐng)求它機(jī)協(xié)作控制形式常采用浮動(dòng)控制方式

16、采用專用控制方式分布控制方式耦合度緊密耦合緊密、松散耦合松散、緊密耦合對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)的要求快速性、靈活性、可重構(gòu)性專用性快速、靈活、簡(jiǎn)單、通用第 2 章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 . 通常可按哪 5 個(gè)因素對(duì)計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類？(1) 在 CPU 中操作數(shù)的存儲(chǔ)方法。(2) 指令中顯式表示的操作數(shù)個(gè)數(shù)。(3) 操作數(shù)的尋址方式。(4) 指令集所提供的操作類型。(5) 操作數(shù)的類型和大小。2. 在對(duì)計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的 5 個(gè)因素中，哪一種是各種指令集結(jié)構(gòu)之間最主要的區(qū)別？CPU 中操作數(shù)的存儲(chǔ)方法，即在 CPU 中用來存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的類型，是各種指令集結(jié)構(gòu)之間最主要的區(qū)別。3. 根

17、據(jù) CPU 內(nèi)部存儲(chǔ)單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪幾類？堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)、通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。4. 堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)分別有什么優(yōu)缺點(diǎn)？指令集結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)堆棧型是一種表示計(jì)算的簡(jiǎn)單模不能隨機(jī)訪問堆棧，從而很難生成有效代碼。同時(shí)，由于型；指令短小堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實(shí)現(xiàn)累加器型減少了機(jī)器的內(nèi)部狀態(tài)；指由于累加器是唯一的暫存器，這種機(jī)器的存儲(chǔ)器通信開銷令短小最大寄存器型易于生成高效的目標(biāo)代碼所有操作數(shù)均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長(zhǎng)5. 現(xiàn)代大多數(shù)機(jī)器均采用通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)，為什么？主要有兩個(gè)方面的原因，一是

18、寄存器和 CPU 內(nèi)部其他存儲(chǔ)單元一樣，要比存儲(chǔ)器快；其次是對(duì)編譯器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。6. 通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)可細(xì)分為哪三類？寄存器寄存器型。寄存器存儲(chǔ)器型。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器型。7. 三種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)分別有什么優(yōu)缺點(diǎn)？指令集結(jié)構(gòu)類型優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)寄存器寄存器型簡(jiǎn)單，指令字長(zhǎng)固定，是一種和 ALU 指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令集結(jié)構(gòu)相簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指（0,3）比，指令條數(shù)多，因而其目標(biāo)代碼量較大令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近指令中的操作數(shù)類型不同。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器存儲(chǔ)器可以直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行一個(gè)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，將訪問，容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。由于指令的（1,2）且其目標(biāo)代碼量較小操作數(shù)可以存儲(chǔ)在不同類型的存儲(chǔ)器單元，所以每條指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)也不盡相同存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器型是一種最緊密的編碼方式，無指令字長(zhǎng)多種多樣。每條指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)也大不一樣，對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問