计算机系统结构2021期末复习考试重点大纲

Posted 2022-12-04 Rose J

本文目录

• • 1.第一章
  • 2.第二章
  • 3.第三章
  • 4.第五章
  • 5.第七章
  • 6.第八章
  • 7.名词解释
  • 8.简答题

考试题型与分值分布：

一、单选题（共5题，每题2分，共10分）

二、术语解释（共5小题，每小题3分，共15分）

三、简答题（共5小题，每小题5分，共25分）

四、综合应用题（共4小题，前两小题每题10分，后两小题每道15分，共50分）

1.第一章

（计算机系统结构的基本概念）

1. 计算机系统结构的定义：

   计算机系统结构指的是程序员所看的到的计算机属性，即概念性结构与功能特性

2. 计算机系统结构的Flynn分类法：

   Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类

   a) 单指令流单数据流（SISD）

   b) 单指令流多数据流（SIMD）

   c) 多指令流单数据流（MISD）

   d) 多指令流多数据流（MIMD）

3. 计算机系统设计的定量原理（4个），熟练运用Amdahl定律和CPU性能公式

   （例1.1、例1.2、例1.3）；

   • 4个定量原理—>以提高性能

     1.以经常性事件为重点

     2.Amdahl定律

     3.CPU性能公式

     4.程序的局部性原理

   • Amdahl定律

• CPU性能公式

  1.执行一个程序所需的CPU时间可以这样计算：

  CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数 x 时钟周期时间

  （其中，时钟周期时间是系统频率的倒数）

  2.引入新的参数CPI（即每条指令的平均时钟周期数）

  CPI = 执行程序所需的时钟周期数/所执行的指令条数

  3.则有以下CPU性能公式：

  CPU时间=IC x CPI x时钟周期时间

  其中IC为所执行的指令条数

  

  

  

4. 理解执行时间和吞吐率的含义；

   执行时间：最直观的定义是计算机完成某一任务所花费的全部时间，包括磁盘访问，存储器访问，I/O和操作系统开销等。

   吞吐率：单位时间内完成的任务数之比

5. 系列机的含义与软件兼容方式；

   系列机：是由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

   软件兼容方式：向上兼容，向下兼容，向前兼容，向后兼容

6. 模拟与仿真的区别；

   模拟：是指用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机（虚拟机）的指令集

   仿真：是指用一台现有计算机（宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（目标机）的指令集

   区别：模拟程序存放在主存中，而仿真微程序则是存放在控制存储器汇总美因茨仿真放的运行速度比模拟方法的快，但仿真只能在系统结构差距不大的计算机之间使用。

7. 并行性、同时性、并发性的含义；

   并行性：是指计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作。

   同时性：指两个或两个以上的事件在同一时刻发生。

   并发性：指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生

8. 提高并行性的技术途径。

   ①时间重叠

   ②资源重复

   ③资源共享

2.第二章

1. 根据 存储操作数 的 存储单元 的 类型对指令集结构 进行分类，以及每类的特点（图2.1和表2.1）；

   按照存储单元的类型，主要有堆栈，累加器和通用寄存器组。

   • 堆栈结构

     操作数都是隐式的，即堆栈的栈顶和次栈顶中的数据，运算后把结果写入栈顶。在这种结构中，只能通过push/pop指令访问存续器。

   • 累加器结构

     一个操作数是隐式的，即累加器。另一个操作数则是显式给出。这是一个存储器单元，运算结果送回累加器。

   • 通用寄存器组（根据操作数的来源再进行分类）

     在通用寄存器结构中，所有操作数都是显式给出的，它们或者是有一个操作数来自存储器中的某个单元RM结构，或者都是来自通用寄存器组RR结构，结果写入通用寄存器组

   1. 寄存器-存储器结构（RM）结构(操作数可以来自存储器)

   2. 寄存器-寄存器结构（RR）结构(所有操作数都是来自通用寄存器)

      

      

2. 寻址方式的含义，熟悉各种常见寻址方式（表2.4）；

   寻址方式：是一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。

   一般来说，寻址方式库指明指令中的操作数是一个常数，一个寄存器，操作数或者是一个存储操作数。

   

3. 偏移寻址方式中偏移量的取值范围的特点，立即数寻址方式中立即数的取值范围的特点（图2.2~图2.4）；

   

   立即数寻址方式和偏移寻址方式的使用频率最高。

   对于偏移寻址来说，主要的问题是偏移量的取值范围，如果知道了该范围

   就能确定在指令中要用多少位的字段来表示偏移量。（这一选择十分重要，因为它直接影响到指令的字长）

   立即数寻址方式主要用于ALU指令，比较指令以及用于给寄存器装入常数等。

   与偏移寻址的情况类似，需要知道立即数的取值范围，因为这个范围决定了指令字中立即数字段所需占用的位数，从而会影响指令的字长。

   

   

4. CISC指令集结构存在的问题，RISC指令集结构的设计原则；

   CISC指令集结构存在的问题：

   1.CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊

   2.CISC结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误

   3.CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成

   4.CISC结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢

   RISC指令集结构的设计原则：

   • 选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令
   • 每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成
   • 所有指令长度均相同
   • 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
   • 以简单有效的方式支持高级语言

5. 能够改变控制流的4种指令类型；

   ①条件分支

   ②跳转

   ③过程调用

   ④过程返回

6. 数据表示的含义，操作数类型的两种表示方法；

   数据表示：是指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

   操作数类型的两种表示方法：

   ①由指令中的操作码指定操作数的类型

   ②给数据加上标识，由数据本身给出操作数类型

7. 指令集的3种编码格式；

   1.可变长度编码格式

   2.固定长度编码格式

   3.混合型编码格式

8. MIPS的寄存器和数据寻址方式的特点；

   MIPS的寄存器特点：

   32个64位通用寄存器R0，R1…R31,他们有时也被称为整数寄存器。R0的值永远是0,

   此外，还有32个64位浮点数寄存器F0,F1…F31.

   他们既可以用来存放32个单精度浮点数（32位)，也可以用来存放32个双精度（64位）。

   当存储单精度浮点数（32位）时，只用到FPR的一半，其另一半没用。

   MIPS提供了单精度和双精度（32位和64位）操作的指令，而且还提供了在FPR和GPR之间传送数据的指令。

   ---

   MIPS数据寻址方式的特点

   -只有立即数寻址和偏移量寻址。

   -立即数和偏移量字段都是16位的。

   -寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的，16位绝对寻址是通过把R0（永远为0）作为基址寄存器来完成的

9. MIPS的3种指令格式中各字段的含义；

   1.I类指令：这类指令包括所有的load和store指令，立即数指令，分支指令，寄存器跳转指令，寄存器链接跳转指令。格式如下图，其中立即数字段为16位，用于提供立即数或偏移量

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   2.R类指令

   这类指令包括ALU指令，专用寄存器读/写指令，move指令等，其格式如下

   

   3.J类指令

   这类指令包括跳转指令，跳转并链接指令，自陷指令与异常返回指令，格式如下，在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，它与pc值相加形成跳转的地址

   

10. MIPS的4种操作类型（表2.11），控制指令的组成（表2.13）。

    MIPS的4种操作类型：load和store，ALU操作，分支与跳转，和浮点操作

    控制指令的组成:

    

说明：对于第8、9、10点，只需理解，不要求能熟练运用。

3.第三章

1. 流水线的概念与时空图；

   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子过程并行进行，这就是流水线技术。

2.流水线的分类：

a) 单功能流水线与多功能流水线；

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。

b) 静态流水线与动态流水线；

静态流水线：在同一时间内，多功能流水线作中的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

动态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。

c) 部件级、处理机级、处理机间流水线；

部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算术逻辑运算部件分段，使得各种类型的运算操作能够按流水方式进行

处理机级流水线（指令流水线）：把指令的解释过程按照流水方式处理。

处理机间流水线（宏流水线）：由两个或者两个以上的处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。

d) 线性流水线与非线性流水线；

线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路

非线性流水线：流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

e) 顺序流水线与乱序流水线。

顺序流水线：流水线输出端任务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不同

3. 计算以下两种情况流水线的吞吐率：

a) 各段时间均相等的流水线；

b) 各段时间不完全相等的流水线。

4. 解决流水线瓶颈问题的常用2种方法；

   1.细分瓶颈段

   2.重复设置瓶颈段

5. 计算流水线的加速比和效率（例3.1和例3.2）；

   加速比=不使用流水线所用的时间/使用流水线所用的时间

   

   例题

   

   效率

   各段时间相等，则各段的效率ei是相同的

   

   各段时间不等时，各段的效率会不同

   

   例题

   

6. 经典5段流水线的执行过程；

   1.取指令周期(IF)

   2.指令译码/读寄存器周期(ID)

   3.执行/有效地址计算周期(EX)

   4.存储器访问/分支完成周期(MEM)

   5.写回周期(WB)

7. 指令相关（3种）的定义，运用换名技术解决名相关；

   1）数据相关（此次运算需要前一次运算的结果作为数据）

   2）名相关（指令所访问的寄存器或存储器单元相同）

   3）控制相关（分支指令引起的相关）

   换名技术：因为名相关的两条指令之间没有数据的传送，只使用了相同的名而已，

8. 流水线冲突（3种）的定义，结构冲突和数据冲突的解决措施。

   流水线冲突的定义：指对于具体执行的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时间执行

   流水线冲突的分类：

   1）结构冲突（因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而引发的冲突）

   解决措施：

   ①适当停顿流水线，推迟冲突中的一个操作

   ②增加硬件设备资源

   2）数据冲突（当指令在流水线中重叠执行时，因需要后面指令的执行结果而引发的冲突）（通 俗说就是现在要用到还没有算出来的结果）

   解决措施：

   ①定向技术：把计算结果从产生的地方直接放到需要的地方）

   ②适当停顿流水线（因为需要的东西还没有算，所以你先停下自己的工作，等它算出来，你再拿着算出来的结果继续开始工作）

   3）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）

4.第五章

1. 多级存储层次的设计目标（见图5.1）；

   1.速度快

   2.容量大

   3.价格低

   

2. 以下概念的含义：命中率、失效率、命中时间、失效开销，平均访存时间的计算公式；

   命中率：cpu访问存储系统时，找到所需信息的概率

   失效率：cpu访问储存系统时，找不到所需信息的概率

   

   命中时间：cpu访问存储系统时，找到所需信息所花费的时间

   失效开销：cpu访问存储系统时，找不到所需信息所花费的时间

   平均访存时间的计算公式=命中开销+不命中率*不命中开销

   

3. 3种映像规则的实现原理（见图5.7）；

   1）全相连映像（主存中的任意一块可以放到cache中的任意一个位置）（任意一个）

   2）直接映像（主存中的每一个块只能放置到cache的唯一一个位置）（唯一一个）

   3）组相连映像（主存中的一个块可以放到cache中唯一一个组中的任意一个位置）（唯一的一个组的任意位置）

   

4. Cache块的查找方法（见图5.8和图5.9）；

   标识+索引

   先索引到组/块，然后在组/块内根据标识查找

   同一组内索引相同，标识不同
   

5. Cache的工作过程（见图5.11和图5.12）；

   21064的cache的物理地址为24位（块地址29位+块内位移5位）

   1）先得到标识的位数，进而得到索引

   2）将索引作为地址从目录项里面得到相应的标识和有效位

   3）同时用索引从cache的数据体中选一块，用块内位移作为偏移量得到相应的标识

   4）将两个标识相比较（有效位为1比较才有效）

   5）匹配成功且有效位为1，cache命中，发信号通知cpu取走数据

   6）匹配不成功，cache不命中，给cpu发送一个等待信号，并从下一级存储器调入一个新的数据库（如需替换cache中数据块，则按照对应的替换算法进行替换）

6. 两种写策略的含义及其优缺点；

   1）写直达法：不仅把数据写入cache，还写入下一级存储器

   优点：数据保证了一致性

   缺点：慢

   2）写回法：只把数据写入cache，不写入下一级存储器

   优点：快

   缺点：数据没有保证一致性

7. 熟练运用平均访存时间公式、CPU时间公式、存储器停顿时钟周期数公式进行Cache性能分析（见例5.1、例5.2）；

   a) 平均访存时间 = 命中时间 + 失效率×失效开销

   b) CPU时间 =（CPU执行周期数+存储器停顿周期数）× 时钟周期时间

   c) 存储器停顿周期数 = 访存次数 × 不命中率×不命中开销

   d) CPU时间=IC（CPI + 每条指令的平均访存次数×不命中率×不命中开销）× 时钟周期时间

   

   

8. Cache失效的3种类型，降低Cache失效率的4种方法（增加Cache块大小、提高相联度、Victim Cache（“牺牲”Cache）、伪相联映像Cache）；

   1）强制性不命中（第一次访问时，cache中没有对应程序的任何数据）

   2）容量不命中（容量限制，需要访问的数据因为cache容量有限被替换出去了）

   3）冲突不命中（组相连映像中，太多的快映像到同一组，出现的在组内x块被y块替换了，需要访问x的时候访问不到情况）

   降低cache失效率的四种方法：

   1）增加cache块的大小（程序局部性原理，增加了块大小，所以减少了块数目，可能会增加冲突不命中）

   2）增加cache的容量（以增加成本，命中时间为代价）

   3）提高相连度（以增加命中时间为代价）

   4）伪相连（列相连）（即获得了多路组相连cache的低不命中率，又保持了直接映像cache的命中速度）

9. 减少Cache失效开销的3种方法（让读失效优先于写、写缓冲合并、采用两级Cache）；

   1）采用两级cache

   2）让读不命中优先于写（等我写完再读）

   3）写缓冲合并（不写重复的，提高了写的效率）

10. 减少命中时间的2种方法（容量小且结构简单的Cache、虚拟Cache）；

    1）容量小，结构简单的cache（硬件越简单，速度就越快）

2）虚拟cache

5.第七章

1. 互连网络的定义与3大要素；

   互连网络的定义：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

   互连网络的三大要素：

   1）互连结构

   2）开关元件

   3）控制方式

2. 熟练运用以下互连函数：交换函数、均匀洗牌函数、蝶式函数、反位序函数、PM2I函数（见例7.1）；

   交换函数

   

   

   均匀洗牌函数

   

   ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20210717165852312.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ2NTI2ODI4,size_16,color_FFFFFF,t_70)
   

   蝶式函数

   

   反位序函数

   

   PM2I函数

   

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   ![\\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3MuCzeHg-1626511044389)(G:\\桌面\\image\\图像\\wps17.jpg)\\]](https://img-blog.csdnimg.cn/2021071717004358.png)
   

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   例题

   

3. 以下静态互连网络的特性：线性阵列、环和带弦环、循环移数网络、树形和星形、网格和环网形、超立方体（见例7.2）；

   

4. 2×2开关的4种连接方式，开关模块的3种控制方式；

5. 

6. 了解总线网络、交叉开关网络、多级互连网络的构成（见图7.14~图7.17）。

6.第八章

依据存储器结构对多处理机进行分类（见图8.1和图8.2）；

1）对称式共享存储器多处理机

2）分布式存储器多处理机

2. 分布式存储器多处理机的两种通信方式（共享地址空间、多个独立的地址空间）；

1）共享地址空间

2）多个独立的地址空间

3. 多处理机Cache一致性的定义；

如果允许共享数据进入Cache，那么当其中一个处理器对自己Cache中的数据进行了修改之后，其他Cache中的副本数据没有被修改，数据不一致

4. 两种共享数据状态跟踪技术（目录法和监听法）的实现过程；

1）目录式协议

2）监听式协议

实现过程：

1）目录式协议:

对于分布式存储器多处理机，由多个存储器，多个Cache，多个CPU，多个IO，一个存储器，一个Cache，和一个CPU和一个IO叫做一个处理单元，一个处理单元配备一个目录，该目录记载了该单元的存储器中的数据在哪些Cache中存在了副本，当该单元从自己的存储器读入一个数据然后又修改了之后，该单元会先把该数据从自己的Cache写回自己的存储器，然后查看自己的目录，看看我修改的数据在那些Cache中存在副本，依次修改数据，保证共享数据的一致性

2）监听式协议

所有的存储器一直监听总线，当某个存储器对共享数据进行了修改之后就对该数据被修改的信息进行广播，所有的存储器都是一直在监听总线的，收到消息之后会对比一下看看自己是否有被修改数据的副本，有的话进行修改，没有的话不进行操作

5. 两种更新协议（写作废协议和写更新协议）的实现过程；

1）写作废协议

2）写更新协议

实现原理：

写作废协议：

当本地cache中的数据被修改之后，告诉所有的Cache你们的该数据作废了，因为被我修改了，你别用了

写更新协议：

当本地Cache中的数据被修改之后，告诉所有的Cache你们的该数据也要进行修改，因为我刚刚修改了我本地Cache的该数据

6. 采用监听协议实现Cache一致性的对称式共享存储器多处理机：

a) 系统结构（见图8.1）；

b) 监听协议的基本原理；

c) 分析Cache控制器在分别收到来自CPU请求和总线请求时，所执行的相应操作，并画出Cache块的状态转换图。

7.名词解释

\\1. 虚拟机：指由软件实现的机器，以区别于由固件/硬件实现的物理机器。

\\2. 系统加速比：总执行时间改进前/总执行时间改进后

\\3. Amdahl定律：加快某部件执行速度所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。

\\4. 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机器。

\\5. 模拟：用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机host）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令集。

\\6. 仿真：用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序的去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令集。

\\7. 并行性：指计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作。

\\8. RISC：精简指令集计算机，她尽可能地把指令集简化，不仅数量的条数少，而且指令的功能也比较简单。

\\9. 寻址方式：指一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。

\\10. 数据表示：计算机硬件能够识别、指令集可以直接调用的数据类型。

\\11. 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。

\\12. 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。

\\13. 静态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

\\14. 动态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。

\\15. 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。

\\16. 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。

\\17. 流水线吞吐率：指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。

\\18. 流水线加速比：不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。

\\19. 流水线的效率：指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值。

\\20. 数据相关：对于两条指令i(在前）和j（在后），如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关；

​ ①指令j使用指令i产生的结果；

​ ②指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。

\\21. 名相关：如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动。

\\22. 控制相关：由分支指令引起的相关。

\\23. 反相关：指令j写的名称和指令i读的名称相同。

\\24. 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。

\\25. 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。

\\26. 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。

\\27. 定向：在某条指令产生计算结果之前，其他指令并不真正立即需要该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令中需要它的地方，那么就可以避免停顿。

\\28. 多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统。各存储器处在离CPU不同距离的层次上。其目标是速度接近于离CPU最近的存储器的速度，容量达到离CPU最远的存储器的容量。

\\29. 命中时间：CPU访问存储系统命中时的访问时间。

\\30. 不命中率：指CPU访存时，在M1存储器中找不到所需信息的概率。

\\31. 不命中开销：CPU向第二级存储器发出访问请求到把这个数据块调入第一级存储器所需的时间。

\\32. 全相联映像：指主存中任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。

\\33. 直接映像：指主存中每一块可以被放置到Cache中唯一的一个位置。

\\34. 组相联映像：主存中每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置。

\\35. 写直达法：在执行“写”操作时，不仅把数据写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器。

\\36. 写回法：只把数据写入Cache中相应的块，不写入下一级存储器。这些最新数据只有在相应的块被替换时，才会被写回下一级存储器。

\\37. 强制性不命中：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。

\\38. 容量不命中：如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。

\\39. 冲突不命中：在组相联或直接映像Cache中，若太多的块映像到同一组中，则会出现该组中某个块被别的块替换、然后又被重新访问的情况。

\\40. 2:1Cache经验规则：容量为N的直接映像Cache的不命中率和容量为N/2的两路组相联Cache的不命中率差不多相同。

\\41. 相联度：某数据块调入Cache时，Cache可以存放该数据块的位置个数。

\\42. 牺牲Cache：在Cache和其下一级存储器的数据通路上增设一个全相联的小Cache，用来存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块。

\\43. 系统响应时间：指从用户键入命令可开始到得到结果所花的时间(输入/输出系统的响应时间以及COU的处理时间)。

\\44. 可靠性：指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通常用平均失效前时间来衡量。

\\45. 可用性：指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。

\\46. RAID：磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。

\\47. 互连网络：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节点之间的互相连接。

\\48. 互连函数：假设互联网络有N个输入端和N个输出端，分别用0,1，…，N-1来表示，则互连函数表示了输入端号和输出端号的连接关系。

\\49. 网络规模：指互连网络中节点的个数。

\\50. 网络直径：指互连网络中任意两个节点之间距离的最大值。

\\51. 静态互连网络：指各节点之间有固定的连接通路，且在运行中不能改变的网络。

\\52. 动态互连网络：指由交换开关构成。可按运行程序的要求动态地改变连接状态的网络。

\\53. 集中式共享多处理机：包含具有统一地址空间的共享存储器，各个处理机通过共享变量进行通信与同步，各处理机联系密切，实现高度的资源共享。

\\54. 分布式共享多处理机:把整个系统功能分成若干个相对独立的分系统(或分模块),使多处理机系统中的每个处理机分别对应其分系统并承担其该分系统所预定的功能.

\\55. 多Cache一致性：在多个处理器中用来维护一致性的协议

\\56. 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。具体做法是在处理器进行写入操作之前，把所有其他Cache中的副本全部作废。

\\57. 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他Cache.这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。

8.简答题

1. 什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？

答：

一个软件不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机一直到另一台计算机上运行，称这两台计算机是软件兼容的。

软件兼容有向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。

向后兼容是软件兼容的根本特性。

\\2. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

答：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。一种系统结构可以有多种组成；一种组成可以有多种实现。同一系列机中各种型号的机器具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而具有不同的性能和价格。

\\3. 计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？

答：以经常性事件为重点，Amdahl定律，程序的局部性原理。

\\4. 根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？

答：可改进比例，部件加速比。

\\5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

答：时间重叠：在并行型概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

资源重复：在并行型概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。

资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

\\6. 从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？

答：（1）各种指令的使用频度相差悬殊，许多指令很少用到。

​ （2）指令集庞大，指令条数多，许多指令的功能又复杂。

​ （3）许多指令由于操作繁杂，其CPI的值比较大，执行速度慢。

​ （4）由于指令功能复杂，规整性不好，不易于使用流水技术来提高性能。

\\7. RISC的设计原则是什么？

答：（1）指令条数少而简单。

（2）采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式。

（3）指令的执行都在单个机器周期内完成（采用流水机制后）。

​ （4）只有load-store指令才能访问存储器，其他指令的操作都在寄存器之间进行，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代码。

​ （7）充分利用流水技术来提高性能。

\\8. MIPS采用哪几种寻址方式？

答：立即数寻址和偏移量寻址。

\\9. 流水技术有哪些特点？

答：（1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，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，因为时间长的段将成为流水线的瓶颈。

​ （3）流水线每个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，称为流水线寄存器。

​ （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。

\\10. 在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？它们分别是什么？

答：一条指令的执行需要五个时钟周期。它们分别是取指令周期（IF），指令译码/读寄存器周期（ID），执行/有效地址计算周期（EX），存储器访问/分支完成周期（MEM），写回周期（WB）。

\\11. 评价流水线的性能指标是什么？

答：吞吐率、加速比、系统的效率

\\12. 什么叫相关？流水线中有哪几种相关？

答：相关是指两种指令之间的某种依赖关系。流水线中有数据相关、名相关、控制相关。

\\13. 单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？

答：主要矛盾是：速度越快，单位价格就越高；容量越大，单位价格就越低；容量越大，速度就越慢。

通常采用多种存储器技术，构成多级存储层次结构。

\\14. 在存储层次中应解决哪四个问题？

答：映像关系：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上；

查找算法：当所要访问的块已经在高一层存储器中时，如何找到该块；

替换算法：当发生不命中而且高一层存储器已满时，应替换哪一块；

写策略：当进行写访问时，应该进行哪些操作。

\\15. 地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？

答：（1）全相联映像。实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的是效率也低。

​ （2）直接映像。实现查找的机制简单，速度快。Cache空间利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache的失效率也高。

​ （3）组相联映像。组相联是直接映像和全相联的一种折中。

\\16. 写策略主要有哪两种？它们各有什么优点？

答：（1） 写直达法：易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。

​ （2） 写回法：速度快，写操作能以Cache存储器的速度进行，而且对于同一单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所使用的存储器频带较低。

\\17. 伪相联的基本思想是什么？

答：当对伪相联Cache进行访问时，首先是按与直接映像相同的方式进行访问，如果命中，则从相应的块中取出所访问的数据送给CPU，访问结束；但如果是不命中，伪相联Cache会检查Cache另一个位置（块），看是否匹配。确定这个“另一块”的一种简单方法是将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找“伪相联组”中的对应块。如果这一块的标志匹配，则发生了“伪命中”。否则，只好访问下一级存储器。

\\18. 采用二级Cache的基本思想是什么？

答：通过在原有Cache和存储器之间增加另一级Cache，构成两级Cache。把第一级Cache做得足够小，使其速度和快速CPU的时钟周期相匹配，而把第二级Cache做得足够大，使它能捕获更多本来需要到主存去的访问，从而降低实际失效开销。

\\19. 采用容量小且结构简单的Cache有什么好处？

答：（1）可以有效地提高Cache的访问速度。因为硬件越简单，速度就越快。小容量Cache可以实现快速标识检测，对减少命中时间有益。

​ （2）Cache足够小，可以与处理器做在同一芯片上，以避免因芯片外访问而增加时间开销。

​ （3）保持Cache结构简单可采用直接映象Cache。直接映象Cache的主要优点是可以让标识检测和数据传送重叠进行，这样可以有效地减少命中时间。

\\20. “虚拟索引＋物理标识” Cache的基本思想是什么？

答：直接用虚地址中的页内位移（页内位移在虚实地址的转换中保持不变）作为访问Cache的索引，但标识却是物理地址。CPU发出访存请求后，在进行虚实地址转换的同时，可并行进行标识的读取。在完成地址变换之后，再把得到的物理地址与标识进行比较。

\\21. 在分布式存储器结构的机器中，将存储器分布到各结点有什么好处？

答：（1）若果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。

（2）对局部存储器的访问延迟低。分布式存储器结构最主要的缺点是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟较大。

\\22. 在分布式存储器结构的机器中，目前有哪两种存储器地址空间的组织方案？

答：（1）第一种：物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址。

（2）第二种：整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻址。

\\23. 在分布式存储器结构的机器中，对应于两种地址空间的组织方案，分别有哪两种通信机制？它们是怎么实现的？

答：（1）共享地址空间的机器：可利用load和store指令中的地址隐含地进行数据通信，因而可称为共享存储器机器。

（2）多个地址空间的机器：根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。因而这种机器常称为消息传递机器。

\\24. 实现Cache一致性协议时，有哪两种跟踪共享数据状态的技术

答：目录协议，监听协议。

\\25. 目录协议中，Cache块有哪三种状态？

答：未缓冲、共享、独占。