计算机系统结构复习资料1
1.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_____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、_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.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I／O、_______________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.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T S是通道的设备选择时间，T D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T byte=__________，选择通道完成数据传送的时间T select=__________。
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，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2
1.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，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
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
●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）全并行：多字多位
●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）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.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CPU—Cache—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？
●部件级，处理机级，系统级三类;
●线性流水线间无反馈或越过的通路；
●非线性流水线有反馈回路或前越通路，
●静态和动态流水都是多功能的流水
●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
●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PU i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。
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）FORK 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0
2）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.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为动态再定位
54.简述设计RISC结构可采用的基本技术
1）按RISC一般原则设计
2）逻辑实现用硬联与微程序结合
3）用重叠寄存器窗口
4）指令用流水和延迟转移
5）优化设计编译系统。
55.简述多处理机操作系统中各自独立型操作系统的优缺点
1）优点：每台处理机独立，一台出错不会引起系统瘫痪
2）缺点：实现复杂，开销大，处理机故障，难以修复
56.简述模拟和仿真的定义，并说明两者的主要区别。
1）模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟
2）仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真。
3）区别：是在于解释用的语言
57.简述RISC的优缺点
1）优点：
1）简化系统的计
2）提高了速度和效率。
3）降低了成本，提高了可靠性
4）编译程序的设计
2）缺点：
1）加重了汇编语言程序的设计
2）对浮点运算执行和虚拟存储器的支持虽有很大加强，但仍显得不足。
3）RISC机器的编译程序比CISC的难写。
58.简述寻址方式在指令中的两种指明方式，并说明它们的优缺点。
59.简述全排列网络的含义及实现全排列网络的两种方式。
60.简述对中断进行分级的原因以及分级方法。
61.简述机群系统与传统的并行处理系统相比所具有的优点
62.简述设计RISC结构采用的基本技术。
63.简述CISC存在的问题。
64.简述多处理机机间互连的形式。
65.简述中断处理次序和中断响应次序的不同点。
66.简述在采用页式虚拟存储器的系统中，页面失效频率(PFF)算法的思想。
67.简述设计RISC应遵循的一般原则。
68.简述集中式定时查询方式的总线分配过程。
69.简述阵列处理机和多处理机在程序并行性方面的差别。
70.简述数据流计算机存在的问题
71.简述通道的3种类型各适合连接什么类型设备，说明各种类型通道在满负荷时的实际流
量与所连接设备的关系。
72.简述并行性从计算机系统处理数据的角度划分的四个等级，并各举一例。
73.简述透明性概念，说明下列哪些对于计算机系统结构是透明的。
浮点数据表示；字符串运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；
访问方式保护；数据总线宽度；Cache存储器；存储器的最小编址单位；存储器的
模M交叉存取，串行、重叠还是流水控制方式。
74.简述数据表示和数据结构之间的关系及引入高级数据表示的基本原则。
75.简述实现指令的重叠解释必须在计算机组成上满足的要求
76.简述器件的发展对系统结构和组成的影响
77.简述设计RISC结构的重叠寄存器窗口技术
78.简述专用总线的概念并说明专用总线的优缺点
79.简述阵列机与流水线处理机相比的特点
实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关；指出程序中出现上述现象的指令组合。 1）数据相关 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此，相关指令为： 2）控制相关 由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }
3.12 有一指令流水线如下所示 （1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。 对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？ 解：（1） 2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T max m 1 i i pipeline =?++++=?-+?=∑= )(ns 220 1 T n T P 1pipeline -== 45.45%11 5 4400T P m t T P E m 1 i i ≈=? =?? =∑= （2）瓶颈在3、4段。 ? 变成八级流水线（细分） 850(ns)509850t 1)(n t T max m 1 i i pipeline =?+?=?-+?=∑= )(ns 85 1 T n T P 1pipeline -== 58.82%17 10 8400T P m ti T P E m 1 i ≈=? =?? =∑= ? 重复设置部件 出 50ns 50ns 100ns 200ns
)(ns 85 1 T n T P 1pipeline -== 58.82%17 10885010400E ≈=??= 3.13 4段组成，3段时，一次，然4段。如果 需要的时间都是，问： （1） 当在流水线的输入端连续地每时间输入任务时，该流水线会发生 什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每输入一个任务，连续处理 10个任务时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个 任务时，其吞吐率提高多少？ （2） t ?t ?2
自考计算机系统结构试题及答案解析
4月高等教育自学考试全国统一命题考试 计算机系统结构试卷 (课程代码02325) 本试卷共3页，满分l00分，考试时间l50分钟。考生答题注意事项： 1．本卷所有试题必须在答题卡上作答。答在试卷上无效，试卷空白处和背面均可作草稿纸. 2．第一部分为选择题。必须对应试卷上的题号使用2B铅笔将“答题卡”的相应代码涂黑。3．第二部分为非选择题。必须注明大、小题号，使用0．5毫米黑色字迹签字笔作答。 4．合理安排答题空间，超出答题区域无效。 第一部分选择题 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题卡” 的相应代码涂黑。未涂、错涂或多涂均无分。1．以软件为主实现的机器称为p26 A．模型机器B．模拟机 C．虚拟机器
D．实际机器 2．下列关于系列机软件兼容描述正确的是p40 A．系列机软件必须保证向后兼容，力争向前兼容 B．系列机软件必须保证向下兼容，力争向前兼容 C．系列机软件必须保证向前兼容，力争向上兼容 D．系列机软件必须保证向下兼容，力争向后兼容 3．浮点数阶值采用二进制p位、尾数基值位r m，则该浮点数的最大阶值为p63 A．2p B．2p-1 C．2p-1 D．2p-1-1 4．为了使任何时候所需的信息都只用一个存储周期访问到，信息在主存中存放的地址要求是p73 A．地址最低位为0 B．地址最高位为0 C．该信息宽度的一半
D．该信息宽度的整数倍 5．存储器的最大频宽是指p98 A．存储器瞬时访问的频宽 B．存储器最大的传输速率 C．存储器连续访问时的频宽 D．存储器的实际传输速率 6．总线控制定时查询方式的控制线的线数为p111 A．┌log2N┐B．1+┌log2N ┐ C．2+┌log2N┐D．3+┌log2N┐ 7. 存储层次构成的主要依据是p127 A．CPU的速度B．主存器件 C．程序设计语言D．程序的局部性 8．相联存储器的访问依据是 A．内容B．地址 C．速度D．周期
计算机系统结构基本习题和答案 填空题 1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。 2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。 3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。 4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。 5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。 6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。 7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。 8、微指令由（硬件）直接执行。 9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。 10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。 11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计)，带来的不利是（无法控制）。 12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。 13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成逻辑设计等。计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。 14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。 15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。 16、设计何种系列机属于（计算机系统结构），系列机内不同型号计算机的组织属于（计算机组成）。 17、是否采用通道方式输入输出的确定属于（计算机系统结构），通道采用结合型还是独立型属于（计算机组成）。 18、对PDP-11或VAX-11来说，单总线结构属于（计算机系统结构），其机器级的I/O连接和使用方式属于（计算机组成）。 19、由于计算机组成和计算机实现关系密切，有人称它们为（计算机实现），即计算机系统的（逻辑实现）和（物理实现）。 20、计算机系统结构可有（由上而下）、（由下而上）和（由中间开始）三种不同的设计思路。 21、“由中间开始”设计的“中间”是指（层次结构中的软硬交界面），目前多数是在（传统机器级）与（操作系统级）之间。 22、除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为（流水线计算机）、（阵列处理机）、（多处理机）、（数据流计算机）四种不同的结构。 23、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分类，这里的多倍性指（系统瓶颈部件上
实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。
《计算机系统结构B卷》 一、填空题（每小题1.5分，共30分）。 1．对系列机而言，必须保证做到软件，力争做到软件向上兼容。 2．由软件实现的计算机称之为。 3. 多处理机系统按组织形式分有三种，功能分布是多处理机系统分工方式。 4．依据从哪一层开始设计，计算机体系结构设计的主要方法有三种，占据主导地位的是设计。 5. 在先行控制方式实现流水线的处理器中，有先行指令、先行操作、先行读数和后行写数等四个缓冲栈，缓冲深度最大的是。 6.按流水线的功能多寡分，可分为单功能流水线和。 7. 用于表示非线性流水线中的任务对未进入流水线的后继任务流入流水线的时间间隔的约束称为。 8.中断转移相关处理的基本方法包括不精确断点法和。 9. 互连网络中任意两个结点之间距离的最大值称为。 10．在多级交叉开关互联网络中，交叉开关的控制方式有、组控制和单元控制。 11. 在多计算机系统的互连网络中，通信模式包括、选播、广播和会议等四种。 12. 描述网络寻径效率常用的两个参数是通道流量和。 13．自定义数据表示包括标志符和两种数据表示。 14. 浮点数尾数基值越大，浮点数表示的数据范围。 15. 根据运算类型指令操作数存储方法不同，指令集结构可分为堆栈型、累加器型和。 16. 标量处理机是否高度并行是以指令级并行度（ILP）为来区分。 17．存储系统的基本存储层次有、主存储器和辅助存储器。 18. 采用并行存储器的目的是。 19. 从时间开销来看，伪命中的时间正常命中的时间。 20. 增加Cache存储系统的相联度，可降低Cache的不命中率，但会增加Cache 的。
二、简答题(每小题6分，共30分)。 1．多计算机系统和多处理机系统的差别有哪几方面？其中最根本的差别是哪个方面？ 2. 什么是流水线相关？流水线相关可分为哪几大类？ 3. 什么是动态互连网络？动态互连网络的互联形式有哪几种？ 4. 指令系统设计包括哪两个方面？指令格式优化设计的目的是什么？ 5. 维护Cache与主存一致性的更新算法有哪些? 三、分析题(第一小题8分，第二小题12分，共20分)。 1．某种处理机10条指令的使用频度分别为：0.25，0.20，0.15，0.10，0.08，0.08，0.05，0.04 ，0.03 ，0.02，试画出该处理机进行Huffman编码时的一棵Huffman树。 2. 在某采用全相联映象、相联目录表实现地址变换Cache存储器中，Cache 的容量是8KB，主存是由4个存储体组成的低位交叉访问存储器，主存总容量是32MB，每一个存储体的字长是32位，。 （1）写出主存地址和Cache地址的格式，并标出各字段的长度。 （2）说明目录表的行数、相联比较的位数和目录表的宽度。 四、计算题(第一小题8分，第二小题12分，共20分)。 1. 设16个处理器编号分别为0、1、……、15，用单级互连网络连接，当互连函数分别为：（1）Cube3、（2）PM+3、（3）Shuffle（Shuffle）时，第13号处理器分别与哪一个处理器相连? 2. 有一条5个功能段的线性动态多功能流水线如图所示，其中1→2→3→5功能段组成加法流水线，1→4→5功能段组成乘法流水线，设每个功能段的延迟时间 均相等为△t。用这条流水线计算F=4 1() i i i a b = + ∏，画出流水线时空图，并计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。 Z
自考计算机系统结构考前复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念 从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。 从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。 存储器操作并行是指能够在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。 处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。例子有流水线处理机。 处理器操作并行是指一个指令部件同时控制
多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。擅长对向量、数组进行处理。例子有阵列处理机。 指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。 并行性的开发途径有时间重叠(Time Interleaving)，资源重复(Resource Replication)，资源共享(Resource Sharing)。 时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。例子有流水线处理机。 资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。例子有阵列处理机，相联处理机。 资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。 SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一
全国2010年4月自学考试计算机系统结构试题 课程代码：02325 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分,共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均不得分。 1．在计算机系统结构设计中，提高软件功能实现的比例可( ) A．提高解题速度B．减少需要的存储器容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 2．浮点数表示的尾数的基r m=16，尾数长度p=8，可表示的规格化最大正尾数的值是( ) A．1／256 B．1／2 C．15／16 D．255／256 3．下列数据存储空间为隐含寻址方式的是( ) A．CPU中的通用寄存器B．主存储器 C．I／O接口中的寄存器D．堆栈 4．当计算机系统执行通道程序完成输入输出工作时，执行通道程序的是( ) A．CPU B．通道 C．CPU和通道D．指定的外设 5．下列有关中断的叙述正确的是( ) A．中断响应的次序是由硬件决定的B．中断处理的次序是由硬件决定的 C．中断处理的次序是不可改的D．中断响应的次序是可灵活改变的 6．与虚拟存储器的等效访问速度无关 ．．的是( ) A．访存页地址流B．页面替换算法 C．主存的容量D．辅存的容量 7．非线性流水线的特征是( ) A．一次运算中使用流水线中的多个功能段 B．一次运算中多次使用流水线中的某些功能段 C．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同 D．流水线的各功能段在不同的运算中可以有不同的连接 8．属于集中式共享存储器结构的SIMD计算机是( ) A．ILLIAC IV B．BSP C．CM-2 D．MP-1 1
第一章： 1.计算机系统结构的定义 答：由程序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 2.透明性概念 答：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 3.兼容性向后兼容 兼容性：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。 向后兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器。 4.Amdahl定律 答：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 5.CPI 答：每条指令的平均时钟周期数。 6.MIPS 答：每秒百万条指令数！MIPS=时钟频率/(CPI*10^6) 7.MFLOPS 答：每秒百万次浮点操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数/(执行时间*10^6) 8.命中率的概念 答： 9.Flynn分类法是按指令流和数据流的多倍性特征进行计算机系统结构的划分 答：①单指令流单数据流SISD ②单指令流多数据流SIMD ③多指令流单数据流MISD （实际不存在）④多指令流多数据流MIMD 10.计算机系统设计的定量原理（四个） 答：①加快经常性事件的速度②Amdahl定律③CPU性能公式④访问的局部性原理11.CPI和加速比的计算 答：CPI=CPU时钟周期数/IC CPU时间=CPU时钟周期数/频率 CPU时间=CPU时钟周期*时钟周期长 加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施前的性能） =(没有采用改进措施前执行某任务的时间)/(采用改进措施后执行某任务的时间) 12.软硬件实现的特点 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多 13.系统评价的标准 ①运算速度②存储器系统③其他性能④成本标准
计算机系统结构试题及答案 一、选择题（50分，每题2分，正确答案可能不只一个，可单选 或复选） 1.（CPU周期、机器周期）是内存读取一条指令字的最短时间。 2.（多线程、多核）技术体现了计算机并行处理中的空间并行。 3.（冯?诺伊曼、存储程序）体系结构的计算机把程序及其操作数 据一同存储在存储器里。 4.（计算机体系结构）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具 有的属性，其实质是确定计算机系统中软硬件的界面。 5.（控制器）的基本任务是按照程序所排的指令序列，从存储器取 出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作。 6.（流水线）技术体现了计算机并行处理中的时间并行。 7.（数据流）是执行周期中从内存流向运算器的信息流。 8.（指令周期）是取出并执行一条指令的时间。 9.1958年开始出现的第二代计算机，使用（晶体管）作为电子器件。 10.1960年代中期开始出现的第三代计算机，使用（小规模集成电路、 中规模集成电路）作为电子器件。 11.1970年代开始出现的第四代计算机，使用（大规模集成电路、超 大规模集成电路）作为电子器件。 12.Cache存储器在产生替换时，可以采用以下替换算法：（LFU算法、 LRU算法、随机替换）。
13.Cache的功能由（硬件）实现，因而对程序员是透明的。 14.Cache是介于CPU和（主存、内存）之间的小容量存储器，能高 速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。 15.Cache由高速的（SRAM）组成。 16.CPU的基本功能包括（程序控制、操作控制、时间控制、数据加 工）。 17.CPU的控制方式通常分为：（同步控制方式、异步控制方式、联合 控制方式）反映了时序信号的定时方式。 18.CPU的联合控制方式的设计思想是：（在功能部件内部采用同步控 制方式、在功能部件之间采用异步控制方式、在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式）。 19.CPU的同步控制方式有时又称为（固定时序控制方式、无应答控 制方式）。 20.CPU的异步控制方式有时又称为（可变时序控制方式、应答控制 方式）。 21.EPROM是指（光擦可编程只读存储器）。 22.MOS半导体存储器中，（DRAM）可大幅度提高集成度，但由于（刷 新）操作，外围电路复杂，速度慢。 23.MOS半导体存储器中，（SRAM）的外围电路简单，速度（快），但 其使用的器件多，集成度不高。 24.RISC的几个要素是（一个有限的简单的指令集、CPU配备大量的 通用寄存器、强调对指令流水线的优化）。
北京邮电大学 实验报告 课程名称计算机系统结构 计算机学院03班 王陈(11)
目录 实验一WINDLX模拟器安装及使用......................................... 错误!未定义书签。 ·实验准备................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验内容及要求.................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验二指令流水线相关性分析 ............................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验三DLX处理器程序设计 .................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 A.向量加法代码及性能分析 ................................................... 错误!未定义书签。 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 .............................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验四代码优化 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会........................................................... 错误!未定义书签。实验五循环展开 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 矩阵乘程序代码清单及注释说明........................................... 错误!未定义书签。 相关性分析结果........................................................................... 错误!未定义书签。 增加浮点运算部件对性能的影响........................................... 错误!未定义书签。 增加forward部件对性能的影响 ............................................ 错误!未定义书签。 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 .. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。
计算机系统结构期末考试试题及其答案
《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对(B )是透 明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位
置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写 后读的数据相关，则（B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是 （C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页
第一章计算机系统结构的基本概念 从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。 从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。 存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。 处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。例子有流水线处理机。 处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。擅长对向量、数组进行处理。例子有阵列处理机。 指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。 并行性的开发途径有时间重叠(Time Interleaving)，资源重复(Resource Replication)，资源共享(Resource Sharing)。 时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。例子有流水线处理机。 资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。例子有阵列处理机，相联处理机。 资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。 SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。例子有传统的单处理机 SIMD:一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。例子有阵列处理机，相联处理机。 MIMD:多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业，实现指令、任务、作业并行的多机系统，是多个SISD的集合，也称多倍SISD系统(MSISD)。例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。 exercises: 1.有一台经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级，每一级为了执行一条指令，需要下一级的N条指令来解释。如果执行第1级的一条指令要Kns时间，那么执行第2、第3和第4级的一条指令各需要用多少时间？ 解答：执行第2、第3和第4级的一条指令各需要KNns、KN^2ns、KN^3ns的时间。 1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？ 答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。 note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）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。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。 指令的静态调度： 是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期分时流出多条指令。 多级存储层次： 采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
计算机系统结构实验报告 一．流水线中的相关 实验目的： 1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点； 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解； 3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作； 4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响； 5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台： WinDLX模拟器 实验内容和步骤： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.s 分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察 CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的 总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果
有一指令流水线如下所示 入 1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns （1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对 于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少 解：（1） 2200(ns) 2009200)10050(50t )1n (t T max m 1 i i pipeline =?++++=?-+?=∑= )(ns 220 1T n TP 1pipeline -== 45.45%11 5 4400TP m t TP E m 1 i i ≈=? =?? =∑= （2）瓶颈在3、4段。 变成八级流水线（细分） 850(ns) 509850t 1)(n t T max m 1 i i pipeline =?+?=?-+?=∑= )(ns 85 1 T n TP 1pipeline -== 58.82%17 10 8400TP m ti TP E m 1 i ≈=? =?? =∑= 重复设置部件 1 2 3_1 3_2 4_1 4_4 入 出
)(ns 851T n TP 1pipeline -== 58.82%17 10 8 85010400E ≈=??= 有一 4段组成，其3段时，总次，然后流到第4段。如果 需要的时间都是t ?，问： （1） 当在流水线的输入端连续地每t ?时间输入任务时，该流水线会发生 什么情况 （2） 此流水线的最大吞吐率为多少如果每t ?2输入一个任务，连续处理 10个任务时的实际吞吐率和效率是多少 （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率仍连续处理10个任 务时，其吞吐率提高多少 （2）