计算机系统结构之重要知识点总结2

Posted 2021-01-28 yinbiao

一．名词解释

1）虚拟机：指通过软件模拟具有完整硬件系统功能的，运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统

2）系统加速比：同一个任务在系统改进前花费总时间和在系统改进后花费总时间的比率

3）Amdahl定律：计算计算机系统中某个部件改进后能获得多少总性能提高的定律

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

5）模拟：指用软件的方法在一台现有的计算机上实现另外一台计算机的指令集

6）仿真：指用一台现有计算机的微程序取解释实现另外一个计算机的指令集

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

9）寻址方式：指令集结构如何确定要访问的数据的地址

10）数据表示：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

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：各段可以进行不同连接以实现不同功能的流水线

13）静态流水线：同一时间段内，只能进行一种功能的流水线

14）动态流水线：同一时间段内，可以进行多种功能的流水线

15）顺序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序相同的流水线

16）乱序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序不同的流水线

17）流水线吞吐率：单位时间内流水线完成任务的数量

18）流水线加速比：完成同样一批任务，使用流水线花费的时间和不使用流水线花费的时间之比

19）流水线的效率：流水线中设备的实际使用时间和整个运行时间的比值

20）数据相关：此次运算需要前一次运算的结果作为数据

21）名相关：两个操作使用了相同的寄存器或者存储器

22）控制相关：根据分支指令的执行结果确定后面程序的运行

23）反相关：名相关的一种，指令i读的名和指令j写的名相同，简称i读j写

24）结构冲突：硬件资源不足引起的冲突

25）数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要晕倒前面的指令的执行结果引起的冲突

26）控制冲突：流水线遇到的分支指令或者其他会改变pc值的指令所引起的冲突

27）定向技术：把计算结果从产生位置直接放到需要的位置

28）多级存储层次：采用多种存储器技术的存储器结构

29）命中时间：cpu访问存储系统时，找到所需数据花费的时间

30）不命中率：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据的比率

31）不命中开销：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据花费的时间

32）全相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的任意一个位置

33）直接映像：主存中的任意一块对应Caceh中的唯一一个位置

34）组相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的一组位置

35）写直达法：写入cache之后，直接写入下一级存储器

36）写回法：只写入caceh中，只有该块被替换时，才写入下一级存储器

37）强制性不命中：第一次访问时，Cache中没有该程序的任何数据而产生的不命中

38）容量不命中：因为Cache容量限制导致某些块被替换出去之后又再次访问该块而放到不到的不命中

39）冲突不命中：被替换出去的块又要访问而产生的不命中（不是因为Caceh容量）

40）2：1Caceh经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的两路组相连Cache的失效率

41）相连度：

42）牺牲Cache：指在Cache和其下一级存储器的数据通路上的一个全相连的小Cache

43）系统响应时间：指计算机对用户的请求做出反映的时间

44）可靠性：规定条件下完成预定功能的能力

45）可用性：考察某个时间，系统正常运行的概率期望

46）RAID：独立冗余磁盘阵列

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

48）互连函数：表示输入端号和输出端号连接关系的函数

49）网络规模：网络中结点个数

50）网络直径：网络中任意两点间的最大距离

51）静态互连网络：各结点间有固定连接通路且在运行中不能改变的网络

52）动态互连网络：由交换开关构成可以按照程序的要求动态改变连接状态的网络

53）集中式共享多处理机：多个处理器共享一个存储器的多处理机系统

54）分布式共享多处理机：多个处理器共享多个存储器的多处理机系统

55）多Caceh一致性：多个Cache中的同一个数据要求保持一致的特性

56）写作废协议：通知其他保留该数据副本的Cache作废副本数据的协议

57）写更新协议：通知其他暴力该数据副本的Cache更新该副本数据的协议

二．简答题

1.什么是软件兼容？软件兼容有哪几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？

答：

软件兼容：一个软件可以不经修改或者只经过少量修改就可以由一台计算机移植到另外一台计算机上，差别只是时间不同

软件兼容的种类：

向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比他高（低）挡的计算机

向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号的计算机，不加修改就能运行于在他之后（前）投入市场的计算机

根本特征：向后兼容

2.试以系列机为例，说明计算机系统结构，计算机组成，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，同一系列计算机中各型号的计算机具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而就有不同的价格和性能

3.计算机系统结构的设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？

答：

1）大概率事件优先原则（对于大概率常见事件，赋予他优先的处理权和资源使用权，以获得全局最优结果

2）Amdahl定律（加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性

3）程序局部性原理（程序的执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚

4. 根据Amdahl定律，系统的加速比由那两个因素决定？

答：

可改进比例和部件加速比

5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

答：

1）时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度，比如流水线技术

2）资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统性能，比如多处理机系统

3）资源共享：软件方法，使多个任务按照一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备，比如多道程序和分时系统

6. 从当前计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？

答：

1）各种指令的使用频率相差悬殊

2）CISC的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，增加了研制的时间和成本，还容易造成设计错误

3）CISC中许多指令需要复杂的操作，运行速度慢

4）CISC中指令功能的不均衡性，不利于采用先进的计算机系统结构技术来提高系统性能

7. RISC的设计原则是什么？

答：

1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令

2）每条指令的功能应尽可能简单，并且在一个周期内完成

3）所有指令长度均相同

4）只有load指令和store指令才访问存储器，其他指令均在寄存器之间进行

5）以简单有效的方式支持高级语言

8.MIPS采用哪几种寻址方式？

答：寄存器寻址，立即数寻址，偏移寻址

9.流水线技术有哪些特点？

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，因此流水线实际上是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠他们的并行工作来提高效率

2）流水线中各段的时间应尽可能相同，否则会引起流水线的堵塞和断流

3）流水线每一个功能部件前面都有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器

4）流水线技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断的提供服务，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，在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作

10.在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？他们分别是什么？

答：

5个时钟周期

1）取指令周期

2）指令译码周期/读存储器周期

3）执行周期/有效地址计算周期

4）存储访问周期/分支完成周期

5）写回周期

11.评价流水线的性能指标是什么？

答：

吞吐率和加速比

吞吐率：单位时间内流水线所完成的任务数量

加速比：使用流水线和1不使用流水线花费时间的比值

12.什么叫相关？流水线中有哪几种相关？

答：

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）

13.单级存储器的主要矛盾是什么？主要采用什么方法解决？

答：

主要矛盾：

1）速度越快，价格就越高

2）容量越大，价格就越低

3）容量越大，速度越慢

解决方法：采用多级存储层次结构

14.在存储层次中应解决那四个问题？

答：

1）映像规则问题：当把一个块调入高一级存储器时，可以放到哪些位置上

2）查找算法问题：当所要访问的块在高一级存储器时，任何找到改块？

3）替换算法问题：当发生失效时，应该替换哪一块？

4）写策略问题：当进行写访问时，应进行哪些操作？

15.地址映像方法有哪几种？他们各有什么优缺点？

答：

1）全相连映像（主存中的任意一块可以放在Cache中的任何位置）

缺点；查找复杂，代价高，速度慢

优点：Cache空间利用率高，块冲突概率低，Caceh的失效率低

2）直接映像：（主存中的任意一块都只对应Cache中的唯一一个位置）

缺点：Cache空间利用率低，块冲突概率高，Cache失效率高

优点：查找简单，快速

3）组相连映像（主存中的任意一块对应Cache中的一组位置）

直接映像和全相连映像折中的办法

16.写策略主要有哪两种？他们各有什么优点？

答：

1）写直达法：容易实现，而且存储器中下一级的数据总是最新的，但是速度慢

2）写回法：速度块，写操作能以Cache存储器的速度进行，而且对于同一个单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器（不直接写回下一级存储器，而是交给写缓冲器去做）

17.伪相连的基本思想是什么？

答：

采用这种方法时，在命中情况下，访问Caceh的过程和直接映像访问Cache的过程相同，而且发生失效时，在访问下一级存储器之前，会先检查Caceh另一个位置，看是否匹配，确定这个另一块的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连中对应的块，如果这一块的标识匹配，则称发生了伪命中，否则就只好访问下一级存储器

18.采用二级Caceh的基本思想是什么？

答：

通过在原有的Cache和存储器中间增加一层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，使得他能捕获更多需要1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，可以与处理权做在同一芯片上，以避免因芯片外访问而增加时间开销

3）保持Cache简单结构可采用直接映像Cache，直接映像Cache的主要优点就是可以让标识检测和数据传送重叠进行，这样可以有效减少命中时间

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（页内位移在虚拟地址的转换中保持不变），作为访问Cache的索引，但标识确实物理地址，Cpu发出访存请求后，在进行虚地址转换的同时，可并行进行标识的读取，在完成地址变换后，再把得到的物理地址和标识进行比较

21.在分布式存储结构的机器中，将存储器分布到各节点有什么好处？

答：

1）如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，分布式存储器结构的主要缺点就是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟大

22.在分布式存储器结构的机器中，目前有哪两种存储地址空间的组织方案？

答：

1）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）整个地址空间由多个独立的地址空间构成，他们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻找

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：理由load和store中的地址隐含的进行数据通信

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

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：

1）目录协议：物理存储器中共享数据库的状态及其相关消息被保存在一个叫做目录的地方

2）监听协议：每个Cache除了包含物理存储器中块的数据副本以外，也保存着共享状态信息，Cache通常连接在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断是否由总线上请求的数据块

25.目录协议中，Cache块有哪三种状态

答：

1）共享：在一个或多个处理器上有这个块的副本，且主存中的值是最新的（所有Cache均相同）

2）未缓冲：所有处理器的Cache都没有此块的副本

3）专有：仅有一个处理器上有该块的副本，且已对此块进行了写操作，而主存的副本仍是旧的