計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考點(diǎn)

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：機(jī)器語言程序員所必須了解的機(jī)器概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。透明性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有層次結(jié)構(gòu)性，透明性是指某一層次的觀察者通過該層次的廣義語言了解和使用機(jī)器，而不必關(guān)心其內(nèi)層是如何工作和如何實(shí)現(xiàn)各自的功能；或是指在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，一種本來存在的事物或原性，但從某種角度看似乎不存在。虛擬計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有層次結(jié)構(gòu)性，虛擬計(jì)算機(jī)是指只對某一層次的觀察者而存在，通過該層次的廣義語言來體現(xiàn)它的功能，并為廣義語言提供翻譯手段，作用于信息處理和控制對象上，并從對象上獲得必要的狀態(tài)信息的機(jī)器。即是指由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。系列機(jī)：是指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的機(jī)器。即以設(shè)計(jì)好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)者按這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)它的系統(tǒng)軟件，硬件設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)器的速度、性能、價格，選擇相應(yīng)的器件和采用相應(yīng)的組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研制并提供相應(yīng)各檔次的機(jī)器。耦合度：是用來反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱的概念。計(jì)算模型：是指給出完成計(jì)算所需遵循的基本規(guī)則，其基本內(nèi)容是數(shù)據(jù)傳遞（即類型有共享存儲和專用存儲）和驅(qū)動方式（即控制機(jī)制）兩個方面。什么是軟件兼容？它有哪些類型？軟件兼容是指同一個軟件（目標(biāo)程序）可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔次的機(jī)器，而且所得結(jié)果一致。軟件兼容有向上兼容與向下兼容和向前兼容與向后兼容兩種類型。什么是并行性？它包括哪兩層含義？可從哪幾個方面進(jìn)行分類？并行性是指問題中具有可以同時進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性，它包括同時性和并發(fā)性兩層含義?？蓮陌磮?zhí)行程序的并行性、按處理數(shù)據(jù)的并行性和按信息加工步驟的并行性等三個方面進(jìn)行分類。多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和多處理機(jī)系統(tǒng)的主要差別有哪些？一是在操作系統(tǒng)方面，多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個計(jì)算機(jī)分別受各自獨(dú)立的操作系統(tǒng)控制，而多處理機(jī)系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制。二是在存儲器方面，多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個計(jì)算機(jī)分別受各自獨(dú)立的存儲器，完全執(zhí)行各自獨(dú)立的程序；而多處理機(jī)系統(tǒng)的各臺處理機(jī)共享同一主存并有各自的控制部件，可以執(zhí)行各自獨(dú)立的程序。三是在信息交換方面，多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個計(jì)算機(jī)之間通過通道或通信線路進(jìn)行通信，以文件或數(shù)據(jù)集的形式交互作用；而多處理機(jī)系統(tǒng)由于共享主存，各處理機(jī)和它們執(zhí)行的程序之間不但能以文件和數(shù)據(jù)集的形式實(shí)現(xiàn)交互作用，也能以向量或單個數(shù)據(jù)的形式實(shí)現(xiàn)交互作用。四是在并行性的級別方面，多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過批量數(shù)據(jù)的交互作用，實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)級的并行；而多處理機(jī)系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)任務(wù)級并行，還由于共享主存，可以實(shí)現(xiàn)同一任務(wù)中的指令間的并行，直至可以同時執(zhí)行多條指令對同一數(shù)組進(jìn)行的數(shù)據(jù)全并行處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法有哪些？主要有由下往上、由上往下、由中間開始等三種。什么是軟件的可移植性？實(shí)現(xiàn)的基本方法有哪些？軟件的可移植性是指軟件不修改或只經(jīng)少量修改就可由一臺機(jī)器搬到另一臺機(jī)器上運(yùn)行，同一軟件可應(yīng)用于不同的環(huán)境。簡述數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)指令的組成結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的指令由操作包和數(shù)據(jù)令牌兩部分組成，而操作包由操作碼、一個或幾個源操作數(shù)以及后繼指令地址等組成，數(shù)據(jù)令牌則由結(jié)果數(shù)值和目標(biāo)地址組成。什么是數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)？簡述它的基本特性。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)是指采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式工作的機(jī)器，即任何指令只要它所需要的操作數(shù)全部齊備且可用時，就可以同時執(zhí)行。它的基本特性有異步性、并行性、函數(shù)性和局部性。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)模型有哪兩種？它們的主要差別是什么？按照對數(shù)據(jù)令牌的不同處理方法，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)通常分為靜態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和動態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。它們的主要差別是在于采用了兩種不同的通信方式和兩種不同的同步方式，具體地說在動態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)令牌帶有標(biāo)志，而靜態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)令牌不帶有標(biāo)志。怎樣理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)性？把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按功能劃分為多個層次，有利于正確理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用，有利于理解各種語言的實(shí)現(xiàn)及其實(shí)質(zhì)，有利于探索新的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第二章數(shù)據(jù)表示：數(shù)據(jù)表示是指由計(jì)算機(jī)硬件能直接識別、指令系統(tǒng)能引用的數(shù)據(jù)類型。操作碼的編碼方法有哪些？其各自特點(diǎn)是什么？操作碼的表示方法有3種，即定長操作碼、Huffman編碼和擴(kuò)展編碼。定長碼的規(guī)整性最好，Huffman編碼的信息冗余量最小，等長擴(kuò)展編碼的信息冗余量較小，規(guī)整性也好，便于實(shí)現(xiàn)硬件譯碼，便于與地址碼配合形成規(guī)則的指令格式。試述浮點(diǎn)數(shù)據(jù)中的尾數(shù)基值隊(duì)數(shù)據(jù)表示的影響。尾數(shù)基值取大，會擴(kuò)大浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍、增加可表示數(shù)的個數(shù)、減少移位次數(shù)、降低右移造成的精度損失和提高運(yùn)算速度，但會降低數(shù)據(jù)的表示精度，數(shù)值的分布變稀。標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示有何區(qū)別。標(biāo)志符只作用于一個數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)合存于同一存儲單元，描述單個數(shù)據(jù)的類型特性；而描述符是與數(shù)據(jù)分開存放的，獨(dú)立占據(jù)一個存儲單元，用于描述所要訪問的一組數(shù)據(jù)的屬性。堆棧型機(jī)器、累加器型機(jī)器和通用寄存器型機(jī)器的優(yōu)缺點(diǎn)各有哪些？類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)堆棧型一種表示計(jì)算的簡單模型，指令短小不能隨機(jī)訪問堆棧，難以生成有效代碼累加器型減少機(jī)器內(nèi)部狀態(tài)，指令短小累加器是唯一的，通信開銷大寄存器型代碼生成的最一般模型操作數(shù)均要命名且顯式表示，指令較長簡述RISC計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的原則及其釆用的關(guān)鍵技術(shù)。RISC計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)的基本原則有：（1）選取使用頻率高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令。（2）每條指令的使用應(yīng)盡可能簡單，并在一個機(jī)器周期內(nèi)完成。（3）所有指令長度應(yīng)相同。（4）只有LOAD和STORE操作指令才訪問存儲器，其他指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。（5）以簡單有效的方式支持高級語言。RISC的關(guān)鍵技術(shù)有重疊寄存器窗口技術(shù)、指令的執(zhí)行釆用流水和延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)、硬連邏輯為主的指令實(shí)現(xiàn)技術(shù)、RISC優(yōu)化編譯技術(shù)。第三章一次重疊：指在任何時刻，處理機(jī)中之多只有兩條指令同時執(zhí)行。二次重疊：指在任何時刻，處理機(jī)中之多只有3條指令同時執(zhí)行。靜態(tài)流水線：指在同一段時間內(nèi)，多功能流水線只能按一種方式連接，實(shí)現(xiàn)一種功能。動態(tài)流水線：指在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以實(shí)現(xiàn)多種連接，同時執(zhí)行多種功能。順序流動：指任務(wù)從流水線流出的次序同流入流水線的次序一樣。異步流動：指任務(wù)從流水線流出的次序同流入流水線的次序不一樣，也稱為亂序流動或錯序流動。不精確斷點(diǎn)：精確斷點(diǎn)：沖突向量：表示流水線中的任務(wù)對為進(jìn)入流水線的后繼任務(wù)流入流水線的時間間隔的約束，它是非線性流水線中所有禁止與允許的啟動距離用二進(jìn)制數(shù)的形式來表示。靜止啟動距離：引起非線性流水線流水段沖突的啟動距離稱為禁止啟動距離。什么是流水線？簡述流水線的特點(diǎn)。流水線是指把一個重復(fù)的過程分解為若干個子過程，一個過程的子過程可以與其它過程的不同的子過程并行進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)不同過程在時間上重疊進(jìn)行的工作方式。實(shí)現(xiàn)流水線的技術(shù)方法稱為流水線技術(shù)。它的特點(diǎn)主要有：（1）流水線中各功能段的時間應(yīng)盡量相等，否則將引起“堵塞”、“斷流”等（2）流水線需要有“裝入時間”和“排空時間”。（3）只有連續(xù)不斷地提供同種任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線的效率。（4）在流水線的每一個功能部件的后面都要有一個緩沖寄存器，或稱為鎖存器、閘門寄存器等。什么是先行控制？簡述處理機(jī)采用先行控制的基本原理，描述實(shí)現(xiàn)先行控制的基本結(jié)構(gòu)。先行控制是指通過對任務(wù)的預(yù)處理和緩沖，以平滑功能部件工作速度上的差異，使功能部件能獨(dú)立地工作，并始終處于忙碌狀態(tài)，提高任務(wù)執(zhí)行的速度。它實(shí)質(zhì)是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。先行控制方式的基本原理是：當(dāng)流水線中某功能段的延遲時間較長時，該功能段前面的功能段對后繼任務(wù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理好的后繼任務(wù)置于緩沖器中。而該功能段后面的功能段則對以前置于緩沖器的任務(wù)進(jìn)行后行處理。這樣，所有的功能段都處于忙碌狀態(tài)。某任務(wù)的流程中，各功能段之間有等待的時間間隔，但各自的流程是連續(xù)的。當(dāng)然，如果前面功能段的緩沖器已滿，或者后面功能段沒有后行處理任務(wù)，流水線仍是不流暢的。實(shí)現(xiàn)先行控制的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示?？诳谑裁词菙?shù)據(jù)相關(guān)？它有哪幾種類型？數(shù)據(jù)相關(guān)是指在流水線的機(jī)器中，程序中相近的兩條指令要對同一存儲單元進(jìn)行操作時，應(yīng)有一定的先后次序，否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)供求關(guān)系上的沖突，引發(fā)程序執(zhí)行錯誤。這種相關(guān)主要有“先寫后讀”相關(guān)、“先讀后寫”相關(guān)和“寫一寫”相關(guān)三種。由于數(shù)據(jù)相關(guān)對程序執(zhí)行過程影響較小，僅涉及到相應(yīng)指令的前后一條或幾條指令的執(zhí)行，所以又稱為局部相關(guān)。什么是控制相關(guān)？它有哪幾種類型？控制相關(guān)是指在流水線的機(jī)器中，由于轉(zhuǎn)移指令或中斷引起程序執(zhí)行方向的改變，使得轉(zhuǎn)移指令或中斷引起的斷點(diǎn)指令與后續(xù)指令不能同時在流水線中執(zhí)行。它包括轉(zhuǎn)移相關(guān)和中斷相關(guān)兩種。由于控制相關(guān)對程序執(zhí)行過程影響較大，可能改變程序的執(zhí)行方向，所以又稱為全局相關(guān)。流水線的性能指標(biāo)有哪些？之間的關(guān)系如何？流水線性能的主要指標(biāo)有吞吐率（TP）、加速比（S）和效率（E）。E=TP*tE=S/k第四章程序局部訪問性：包括時間局部性和空間局部性。時間局部性是指程序在最近的未來要用到的信息很可能是現(xiàn)在正在使用的信息?？臻g局部性是指程序在最近的未來要用到的信息與現(xiàn)在正在使用的信息很可能在程序空間上式相鄰或相近的。相聯(lián)存儲器：指按存儲字的全部或部分內(nèi)容尋址的存儲器。虛擬地址Cache存儲系統(tǒng)：指把Cache、主存和磁盤三個存儲器組織成一個“Cache-主存-磁盤”存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。什么是存儲系統(tǒng)？構(gòu)建存儲系統(tǒng)的目的是什么？簡述存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及其典型結(jié)構(gòu)。存儲系統(tǒng)是指把兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件或軟件或硬件與軟件相結(jié)合的方法有機(jī)地連接起來的一個集合。構(gòu)建存儲系統(tǒng)的目的是使該存儲器集合對應(yīng)用程序員仍是透明的，但具有速度高、容量大、價格低的特性。存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)就是將各種類型的存儲器，按存儲器的特性依照速度大小排列組織在一起，構(gòu)成一個存儲器集合，如下圖所示。其典型結(jié)構(gòu)是由高速緩沖存儲器、主從外部看：存儲周期T?MIN（T、T、…、Tn）；存儲容量S?MAX（S、S、…、Sn）；1212每位價格C?MIN（C、C、…、Cn）。12存儲器和磁盤存儲器（輔存）構(gòu)成一個三級的典型存儲系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。Cache存儲系統(tǒng)-ICache存儲系統(tǒng)-IL虛擬存儲系統(tǒng)簡述兩個獨(dú)立的兩級存儲系統(tǒng)的比較。1）一次性交換數(shù)據(jù)的數(shù)量不同。（2）兩級存儲器之間的速度比不同。（3）訪問不命中時CPU訪問的通路不同。（4）設(shè)置的目標(biāo)不同。Cache存儲系統(tǒng)是以提高速度為目標(biāo)，以使存儲系統(tǒng)的速度與CPU相匹配，即面對CPU；虛擬存儲系統(tǒng)是以擴(kuò)大容量為目標(biāo)，以滿足用戶的需要，即面對用戶。（5）實(shí)現(xiàn)的方式一般不同。Cache存儲系統(tǒng)工作時所需要的管理功能是由硬件實(shí)現(xiàn)的，虛擬存儲系統(tǒng)工作時所需要的管理功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的。（6）透明性不同。Cache存儲系統(tǒng)對系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是透明的，而虛擬存儲系統(tǒng)僅對程序員是透明的。什么是Cache的一致性？分析引起Cache不一致的原因。解決Cache不一致的方法有哪些?Cache的一致性是指Cache存放的內(nèi)容作為主存中的部分副本，應(yīng)該主存中的內(nèi)容始終保持一致。引起Cache不一致的原因主要有：①CPU寫Cache:②I/O寫主存。解決Cache不一致的方法有：①寫Cache命中時的寫直達(dá)法和寫回法；②寫Cache不命中時的不按寫分配法和按寫分配法。什么是Cache存儲系統(tǒng)？它有哪幾種地址映像規(guī)則？試比較這幾種映像規(guī)則。由Cache和主存組成的“Cache——主存”存儲系統(tǒng)稱為Cache存儲系統(tǒng)。有全相聯(lián)、直接相聯(lián)和組相聯(lián)3種映像規(guī)則。全相聯(lián)映像方式發(fā)生兩個主存塊爭用一個Cache塊位置的塊沖突的概率較低，Cache存儲器的空間利用率也叫高；但是隨容量的越來越大使得地址變換的速度降低；直接相聯(lián)映像方式的優(yōu)點(diǎn)是硬件實(shí)現(xiàn)簡單，不需要相聯(lián)存儲器，地址變換的速度也較快，但是塊沖突率比較高；組相聯(lián)映像方式具有塊沖突的概率較低、地址變換的速度較快和映像關(guān)系比較復(fù)雜的特點(diǎn)，直接相聯(lián)映像和全相聯(lián)映像方式是它的兩種極端情況。第五章互連函數(shù)：函數(shù)表示法是把互連網(wǎng)絡(luò)中輸入輸出的變換關(guān)系通過數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，若用x表示輸入端變量，則用函數(shù)f(x)表示輸出端變量，函數(shù)f(x)稱為互連函數(shù)。結(jié)點(diǎn)度：與該結(jié)點(diǎn)相連接的邊(即鏈路或通道)數(shù)稱為結(jié)點(diǎn)度。邏輯鏈路：就是數(shù)據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信規(guī)程。*不太確定答案。虛擬通道：指兩個結(jié)點(diǎn)間的邏輯鏈，它由源結(jié)點(diǎn)的片緩沖區(qū)、結(jié)點(diǎn)間的物理通道以及接收點(diǎn)的片緩沖區(qū)組成。包沖突：指當(dāng)多個包在某個結(jié)點(diǎn)為競爭緩沖區(qū)或通道而發(fā)生的現(xiàn)象。什么是互連網(wǎng)絡(luò)？它的基本特征包括哪幾個方面？可用哪些方法來描述。答：互連網(wǎng)絡(luò)是一種由開關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部多個處理機(jī)或多個功能部件之間的相互連接及信息交換。它的基本特征包括定時方式、交換方法、控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？捎脠D形表示法、對應(yīng)表示法和函數(shù)表示法來描述。動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)的互連形式有哪幾種？試比較它們間的差異。答：動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的互連形式主要有總線、交叉開關(guān)互連和多級交叉開關(guān)互連三種?？偩€容易產(chǎn)生故障，價格較低，帶寬較窄。交叉開關(guān)的硬件復(fù)雜性為n2數(shù)量級，造價昂貴。但是其帶寬和尋徑性能在這三種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中最好。多級互連網(wǎng)絡(luò)是二者的折衷。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于采用模塊結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性好。第六章單發(fā)射：指在一個時鐘周期內(nèi)平均至多僅能發(fā)射一條指令。多發(fā)射：指在一個時鐘周期內(nèi)能發(fā)射多條指令。按序發(fā)射：啟動指令進(jìn)入執(zhí)行段的順序與取指順序一致。無須發(fā)射：啟動指令進(jìn)入執(zhí)行段的順序與取指順序不一致。什么是指令級高度并行？實(shí)現(xiàn)標(biāo)量指令集并行的技術(shù)方法有哪些？答：指令級高度并行是指細(xì)粒度并行性，包含時間并行技術(shù)和空間并行技術(shù)。實(shí)現(xiàn)標(biāo)量指令級并行的技術(shù)方法有時間重疊、資源重復(fù)和資源共享。什么是標(biāo)量處理機(jī)？它有哪些類型？答：只有標(biāo)量數(shù)據(jù)表示和標(biāo)量指令系統(tǒng)的處理機(jī)稱為標(biāo)量處理機(jī)。它有普通標(biāo)量處理機(jī)、超流水線標(biāo)量處理機(jī)、超標(biāo)量標(biāo)量處理機(jī)、超流水線超標(biāo)量標(biāo)量處理機(jī)、超長指令字標(biāo)量處理機(jī)以及傳統(tǒng)的串行標(biāo)量處理機(jī)等多種類型。什么是向量處理機(jī)？向量處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)有哪些？答：具有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令系統(tǒng)的處理機(jī)稱為向量處理機(jī)。向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)有:存儲器—存儲器結(jié)構(gòu)和寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)兩種。什么是向量處理？向量處理方式有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答：向量處理時執(zhí)行向量操作的硬件資源對向量進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算。向量處理方式有橫向處理方式、縱向處理方式和縱橫處理方式3種。橫向處理不適合于向量流水線處理,縱