第1章計算機系統(tǒng)結構的基本概念名詞解釋：計算機系統(tǒng)結構概念：Amdahl提出的系統(tǒng)結構傳統(tǒng)機器語言級程序員所看到的計算機屬性計算機系統(tǒng)結構，計算機組成，計算機實現(xiàn)三者關系計算機系統(tǒng)結構：計算機系統(tǒng)的軟、硬件的界面即機器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機器級所具有的屬性計算機組成：計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)，包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。著眼于：物理機器級內各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。著眼于：器件技術（起主導作用）、微組裝技術。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種物理實現(xiàn)。系列機：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結構、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的計算機。例如，IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。計算題：Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時間的百分比（P7頁）。向上（下）兼容：按某檔機器編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的機器。向前（后）兼容：按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改地就能運行于在它之前（后）投入市場的機器。向后兼容是系列機的根本特征。兼容機：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結構的計算機。機器檔次A高）向上兼容 當前機器丿向下兼容m 向前兼容;向后兼容低 廠、 王 a 魚一時間并行性：計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內發(fā)從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1） 指令內部并行：單條指令中各微操作之間的并行。（2） 指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。（3） 線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程。通常是以一個進程內派生的多個線程為調度單位。（4）任務級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段）以子程序或進程為調度單元。（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。填空題：提高并行性的技術途徑:a時間重疊b資源重復c資源共享緊密耦合和松散耦合（P23頁）了解第2章計算機指令集結構簡答題：增強CISC指令功能主要是從以下幾個方面著手：面向目標程序增強指令功能a增強運算型指令的功能；b增強數(shù)據(jù)傳送指令的功能；c增強程序控制指令的功能，豐富的程序控制指令為編程提供了多種選擇。CISC指令集結構存在的問題（1）各種指令的使用頻度相差懸殊（2）指令集龐大，指令條數(shù)很多，許多指令的功能又很復雜，使得控制器硬件非常復雜。導致的問題：a占用了大量的芯片面積（如占用CPU芯片總面積的一半以上），給VLSI設計造成很大的困難；b增加了研制時間和成本，容易造成設計錯誤。（3）許多指令由于操作繁雜，其CPI值比較大，執(zhí)行速度慢。采用這些復雜指令有可能使整個程序的執(zhí)行時間反而增加。（4）由于指令功能復雜，規(guī)整性不好，不利于采用流水技術來提高性能。設計RISC機器遵循的原則（1） 指令條數(shù)少而簡單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎上補充一些最有用的指令。（2） 采用簡單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位。（3） 指令的執(zhí)行在單個機器周期內完成。（采用流水線機制）（4） 只有l(wèi)oad和store指令才能訪問存儲器，其他指令的操作都是在寄存器之間進行。（即采用load-store結構）（5） 大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來實現(xiàn)。（6） 強調優(yōu)化編譯器的作用，為高級語言程序生成優(yōu)化的代碼。（7） 充分利用流水技術來提高性能。名詞解釋：數(shù)據(jù)表示：是計算機硬件能夠直接識別、指令集可以直接調用的數(shù)據(jù)類型。所有數(shù)據(jù)類型中最常用、相對比較簡單、用硬件實現(xiàn)比較容易的幾種MIPS的寄存器（了解）P43頁MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式有那四種？寄存器尋址、立即數(shù)尋址、偏移量尋址寄存器間接尋址哈弗曼編碼方法的計算（1）碼長表示法（2）碼點表示法第3章流水線技術名詞解釋：什么是流水線？把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程由專門的功能部件來實現(xiàn)。把多個處理過程在時間上錯開，依次通過各功能段，這樣，每個子過程就可以與其他的子過程并行進行流水技術的特點（1）流水線把一個處理過程分解為若干個子過程（段），每個子過程由一個專門的功能部件來實現(xiàn)。（2）流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞、斷流。時間長的段將成為流水線的瓶頸。（3）流水線每一個功能部件的后面都要有一個緩沖寄存器（鎖存器），稱為流水寄存器。作用：在相鄰的兩段之間傳送數(shù)據(jù)，以保證提供后面要用到的數(shù)據(jù)，并把各段的處理工作相互隔離。（4）流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發(fā)揮流水線的效率。（5）流水線需要有通過時間和排空時間。通過時間：第一個任務從進入流水線到流出結果所需的時間。排空時間：最后一個任務從進入流水線到流出結果所需的時間。填空題：從不同的角度和觀點，把流水線分成多種不同的種類。（1） 單功能流水線與多功能流水線（按照流水線所完成的功能來分類）單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線：流水線的各段可以進行不同的連接，以實現(xiàn)不同的功能。（2） 靜態(tài)流水線與動態(tài)流水線（按照同一時間內各段之間的連接方式對多功能流水線做進一步的分類）（3） 部件級、處理機級及處理機間流水線（按照流水的級別來進行分類）a部件級流水線（運算操作流水線）；b處理機級流水線（指令流水線）；c處理機間流水線（宏流水線）；（4）線性流水線與非線性流水線（按照流水線中是否有反饋回路來進行分類）（5）順序流水線與亂序流水線（根據(jù)任務流入和流出的順序是否相同來進行分類）流水線相關有3種類型：a數(shù)據(jù)相關（也稱真數(shù)據(jù)相關）、b名相關、c控制相關P71—72頁流水線沖突有3種類型：a結構沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。b數(shù)據(jù)沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結果而發(fā)生的沖突。c控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。計算題：流水線的性能指標：吞吐率、加速比、效率P61—65頁書上P109頁3?12和3?14題第4章指令級并行名詞解釋：什么叫指令調度？保持相關，但避免發(fā)生沖突。通過代碼變換，消除相關解答題：動態(tài)分支預測技術（1） 所開發(fā)的ILP越多，控制相關的制約就越大，分支預測就要有更高的準確度。（2） 動態(tài)分支預測：在程序運行時，根據(jù)分支指令過去的表現(xiàn)來預測其將來的行為。如果分支行為發(fā)生了變化，預測結果也跟著改變。有更好的預測準確度和適應性。（3） 分支預測的有效性取決于：a預測的準確性，b預測正確和不正確兩種情況下的分支開銷，決定分支開銷的因素：a流水線的結構，b預測的方法，c預測錯誤時的恢復策略等（4） 采用動態(tài)分支預測技術的目的，a預測分支是否成功，b盡快找到分支目標地址（或指令）（避免控制相關造成流水線停頓）（5） 需要解決的關鍵問題：a如何記錄分支的歷史信息；b如何根據(jù)這些信息來預測分支的去向（甚至取到指令）。（6） 在預測錯誤時，要作廢已經(jīng)預取和分析的指令，恢復現(xiàn)場，并從另一條分支路徑重新取指令。填空題：多流出處理機有三種基本風格：超標量（Superscalar），超長指令字VLIW（VeryLongInstructionWord）和超流水。指令多流出處理器受哪些因素的限制呢？主要受以下三個方面的影響：a程序所固有的指令級并行性。b硬件實現(xiàn)上的困難。c超標量和超長指令字處理器固有的技術限制。循環(huán)展開和指令調度時要注意以下幾個方面：（1） 保證正確性。在循環(huán)展開和調度過程中尤其要注意兩個地方的正確性：循環(huán)控制，操作數(shù)偏移量的修改。（2） 注意有效性。只有能夠找到不同循環(huán)體之間的無關性，才能有效地使用循環(huán)展開。（3） 使用不同的寄存器。（否則可能導致新的沖突）（4） 刪除多余的測試指令和分支指令，并對循環(huán)結束代碼和新的循環(huán)體代碼進行相應的修正。（5） 注意對存儲器數(shù)據(jù)的相關性分析。例如：對于load指令和store指令，如果它們在不同的循環(huán)迭代中訪問的存儲器地址是不同的，它們就是相互獨立的，可以相互對調。（6） 注意新的相關性。由于原循環(huán)不同次的迭代在展開后都到了同一次循環(huán)體中，因此可能帶來新的相關性。第5章存儲層次名詞解釋：什么叫字塊放置技術1、 Cache—主存”與“主存一輔存”層次的區(qū)別P157—158頁2、 映象規(guī)則a全相聯(lián)映象特點：空間利用率最高，沖突概率最低，實現(xiàn)最復雜。b直接映象特點：空間利用率最低，沖突概率最高，實現(xiàn)最簡單。

c組相聯(lián)映象P159—160頁3、 主要的替換算法有三種P163頁（了解）a隨機法優(yōu)點：實現(xiàn)簡單b先進先出法（FIFO）c最近最少使用法LRU選擇近期最少被訪問的塊作為被替換的塊。（實現(xiàn)比較困難）實際上：選擇最久沒有被訪問過的塊作為被替換的塊。優(yōu)點：失效率低。LRU和隨機法的失效率的比較4、 減少三種失效的方法a強制性失效：增加塊大小，預?。ū旧砗苌伲゜容量失效：增加容量（抖動現(xiàn)象）c沖突失效：提高相聯(lián)度（理想情況：全相聯(lián)）5、Cache優(yōu)化技術總結P201頁優(yōu)化技術失效率失效開銷命中時間硬件復雜度說明增加塊大小+—0實現(xiàn)容易;Pentium4的第二級Cache采用了128B的塊增加Cache容量+被廣泛采用，特別是第二級Cache提高相聯(lián)度+—1被廣泛釆用VictimCache+2AMDAthlon釆用了8個項的VictimCache偽相聯(lián)Cache+2MIPSR10000的第二級Cache釆用硬件預取指令和數(shù)據(jù)+2?3許多機器預取指令，UltraSPARCHI預取數(shù)據(jù)優(yōu)化技術失效率失效開銷命中時間硬件復雜度說明編譯器控制的預取+3需同時采用非阻塞Cache；有幾種微處理器提供了對這種預取的支持用編譯技術減少Cache失效次數(shù)+0向軟件提出了新要求；有些機器提供了編譯器選項使讀失效優(yōu)先于寫+1在單處理機上實現(xiàn)容易，被廣泛釆用寫緩沖歸并+1與寫直達合用，廣泛應用，例如21164,UltraSPARC盡早重啟動和關鍵字優(yōu)先+2被廣泛釆用非阻塞Cache+43在支持亂序執(zhí)行的CPU中使用優(yōu)化技術失效率失效開銷命中時間硬件復雜度說明

兩級Cache+2硬件代價大；兩級Cache的塊大小不同時實現(xiàn)困難；被廣泛采用容量小且結構簡單的Cache+0實現(xiàn)容易，被廣泛采用對Cache進行索引時不必進行地址變換+2對于小容量Cache來說實現(xiàn)容易，已被Alpha21164和UltraSPARCIU采用流水化Cache訪問+1被廣泛采用TraceCache+3Pentium4采用＋”號：表示改進了相應指標?！埃碧枺罕硎舅乖撝笜俗儾??？崭駲冢罕硎舅鼘υ撝笜藷o影響。復雜性：0表示最容易，3表示最復雜第6章輸入/輸出系統(tǒng)填空或選擇：I、I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性（了解）簡答題：1、根據(jù)信息傳送方式的不同，將通道分為三種類型，三種類型的通道與CPU、設備控制器和外設的連接關系（1）字節(jié)多路通道a為多臺低速或中速的外設服務。b以字節(jié)交叉的方式分時輪流地為它們服務。c字節(jié)多路通道可以包含多個子通道，每個子通道連接一臺設備控制器。（2）選擇通道a為多臺高速外圍設備服務。b在一段時間內只為一臺高速外設獨占使用。c選擇通道的硬件包括5個寄存器、格式變換部件及通道控制部件（3）數(shù)組多路通道a適用于高速設備。b每次選擇一個高速設備后傳送一個數(shù)據(jù)塊，輪流為多臺外圍設備服務。c數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多臺高速設備服務，是因為雖然其所連設備的傳輸速率很高，但尋址等輔助操作時間很長。判斷題：看課本P225--226頁RAID的分級及其特性RAID級別可以容忍的故障個數(shù)以及當數(shù)據(jù)盤為8個時，所需要的檢測盤的個數(shù)優(yōu)點缺點公司產(chǎn)品0非冗余，條帶存放0個故障；0個檢測盤沒有空間開銷沒有糾錯能力廣泛應用1鏡像1個故障；8個檢測盤不需要計算奇偶校驗，數(shù)據(jù)恢復快，讀數(shù)據(jù)快。而且其小規(guī)模寫操作比更高級別的RAID快檢測空間開銷最大（即需要的檢測盤最多）EMC,HP(Tandem)，IBM2存儲器式ECC1個故障；4個檢測盤不依靠故障盤進行自診斷檢測空間開銷的級別是log2m級（m為數(shù)據(jù)盤的沒有

個數(shù))3位交叉奇偶校驗1個故障；1個檢測盤檢測空間開銷小(即需要的檢測盤少)，大規(guī)模讀寫操作的帶寬高對小規(guī)模、隨機的讀寫操作沒有提供特別的支持外存概念第7章互連網(wǎng)絡名詞解釋：互連網(wǎng)絡是一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中結點之間的相互連接。這些結點可以是處理器、存儲模塊或其他設備。填空：1、看看課本中P253—255頁中的交換函數(shù)和均勻洗牌函數(shù)交換函數(shù)：實現(xiàn)二進制地址編碼中第Exx?交換函數(shù)：實現(xiàn)二進制地址編碼中第Exx??xxx??xx位互反的輸入端與輸出端之間的連接x??xxx??xn-1n2 kkAn-1n2 kkA 10n-1nA klkkA 10主要用于構造立方體互連網(wǎng)絡和各種超立方體互連網(wǎng)絡。它共有n=log2N種互連函數(shù)。(N為結點個數(shù))當N=8時，n=3可得到常用的立方體互連函數(shù)：Cxxx=xx0(2主要用于構造立方體互連網(wǎng)絡和各種超立方體互連網(wǎng)絡。它共有n=log2N種互連函數(shù)。(N為結點個數(shù))當N=8時，n=3可得到常用的立方體互連函數(shù)：Cxxx=xx0(2\x10)=210xxxx1(2x10)=210xxxx2210210N=8的立方體交換函數(shù)0二■<01 1A<23二K二4\o"CurrentDocument"5二z：67(a)C0交換函數(shù)0123456701234567(c)C2交換函數(shù)均勻洗牌函數(shù)：將輸入端分成數(shù)目相等的兩半，前一半和后一半按類似均勻混洗撲克牌的方式交叉地連接到輸出端(輸出端相當于混洗的結果)。函數(shù)關系』 )SVxx?…xx7=xx?…xxxn-1n-210 n-2n-3 10n-1即把輸入端的二進制編號循環(huán)左移一位。N=8的均勻洗牌和逆均勻洗牌函數(shù)逆均勻洗牌函數(shù)：將輸入端的二進制編號循環(huán)右移一位而得到所連接的輸出端編號。0123456701234567012345670123456(a)均勻洗牌函數(shù)(b)逆均勻洗牌函數(shù)互連函數(shù)xn-1n-2xx)=xx10 0n-1n-2逆均勻洗牌是均勻洗牌的逆函數(shù)2、互連網(wǎng)絡的主要特性參數(shù)有：（1）網(wǎng)絡規(guī)模：網(wǎng)絡中結點的個數(shù)。表示該網(wǎng)絡所能連接的部件的數(shù)量。（2）結點度：與結點相連接的邊數(shù)（通道數(shù)），包括入度和出度。進入結點的邊數(shù)稱為入度。從結點出來的邊數(shù)稱為出度。（3）距離：對于網(wǎng)絡中的任意兩個結點，從一個結點出發(fā)到另一個結點終止所需要跨越的邊數(shù)的最小值。（4）網(wǎng)絡直徑：網(wǎng)絡中任意兩個結點之間距離的最大值。網(wǎng)絡直徑應當盡可能地小。（5）結點之間的線長：兩個結點之間連線的長度，用米、千米等表示。（6）等分寬度：當某一網(wǎng)絡被切成相等的兩半時，沿切口的邊數(shù)（通道數(shù)）的最小值稱為通道等分寬度，用b表示。線等分寬度：B=bXw其中：w為通道寬度（用位表示）。該參數(shù)主要反映了網(wǎng)絡最大流量。（7）對稱性：從任何結點看到的拓撲結構都是相同的網(wǎng)絡稱為對稱網(wǎng)絡。對稱網(wǎng)絡比較容易實現(xiàn)，編程也比較容易。課本P257弄清楚線性陣列和環(huán)和帶弦環(huán)。第8章多處理機根據(jù)系統(tǒng)中處理器個數(shù)的多少，可把現(xiàn)有的MIMD計算機分為兩類：（每一類代表了一種存儲器的結構和互連策略）（1）集中式共享存儲器結構 a最多由幾十個處理器構成。b通過大容量的Cache和總線互連使各處理器共享一個單獨的物理存儲器。（2） 分布式存儲器結構每個結點包含：