一．名詞解釋

1）虛擬機：指通過軟件模擬具有完整硬件系統功能的，運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統

2）系統加速比：同一個任務在系統改進前花費總時間和在系統改進後花費總時間的比率

3）Amdahl定律：計算計算機系統中某個部件改進後能獲得多少總性能提高的定律

4）系列機：由同一廠家生產的具有相同的系統結構，但是具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機

5）模擬：指用軟件的方法在一臺現有的計算機上實現另外一臺計算機的指令集

6）仿真：指用一臺現有計算機的微程序取解釋實現另外一個計算機的指令集

7）並行性：指計算機系統在同一時刻或同一時間間隔內進行多種運算或操作

8）RISC

9）尋址方式：指令集結構如何確定要訪問的數據的地址

10）數據表示：指計算機硬件能夠直接識別，指令集可以直接調用的數據類型

11）單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線

12）多功能流水線：各段可以進行不同連接以實現不同功能的流水線

13）靜態流水線：同一時間段內，只能進行一種功能的流水線

14）動態流水線：同一時間段內，可以進行多種功能的流水線

15）順序流水線：輸入端任務流入的順序和輸出端任務流出的順序相同的流水線

16）亂序流水線：輸入端任務流入的順序和輸出端任務流出的順序不同的流水線

17）流水線吞吐率：單位時間內流水線完成任務的數量

18）流水線加速比

19）流水線的效率：流水線中設備的實際使用時間和整個運行時間的比值

20）數據相關：此次運算需要前一次運算的結果作為數據

21）名相關：兩個操作使用了相同的寄存器或者存儲器

22）控制相關：根據分支指令的執行結果確定後面程序的運行

23）反相關：名相關的一種，指令i讀的名和指令j寫的名相同，簡稱i讀j寫

24）結構沖突：硬件資源不足引起的沖突

25）數據沖突：當指令在流水線中重疊執行時，因需要暈倒前面的指令的執行結果引起的沖突

26）控制沖突：流水線遇到的分支指令或者其他會改變pc值的指令所引起的沖突

27）定向技術

28）多級存儲層次：采用多種存儲器技術的存儲器結構

29）命中時間：cpu訪問存儲系統時，找到所需數據花費的時間

30）不命中率：cpu訪問存儲系統時，沒有找到所需數據的比率

31）不命中開銷：cpu訪問存儲系統時，沒有找到所需數據花費的時間

32）全相連映像：主存中的任意一塊對應Caceh中的任意一個位置

33）直接映像：主存中的任意一塊對應Caceh中的唯一一個位置

34）組相連映像：主存中的任意一塊對應Caceh中的一組位置

35）寫直達法：寫入cache之後，直接寫入下一級存儲器

36）寫回法：只寫入caceh中，只有該塊被替換時，才寫入下一級存儲器

37）強制性不命中：第一次訪問時，Cache中沒有該程序的任何數據而產生的不命中

38）容量不命中：因為Cache容量限制導致某些塊被替換出去之後又再次訪問該塊而放到不到的不命中

39）沖突不命中：被替換出去的塊又要訪問而產生的不命中（不是因為Caceh容量）

40）2：1Caceh經驗規則：大小為N的直接映像Cache的失效率約等於大小為N/2的兩路組相連Cache的失效率

41）相連度：

42）犧牲Cache：指在Cache和其下一級存儲器的數據通路上的一個全相連的小Cache

43）系統響應時間：指計算機對用戶的請求做出反映的時間

44）可靠性：規定條件下完成預定功能的能力

45）可用性：考察某個時間，系統正常運行的概率期望

46）RAID：獨立冗余磁盤陣列

47）互連網絡：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絡

48）互連函數：表示輸入端號和輸出端號連接關系的函數

49）網絡規模：網絡中結點個數

50）網絡直徑：網絡中任意兩點間的最大距離

51）靜態互連網絡：各結點間有固定連接通路且在運行中不能改變的網絡

52）動態互連網絡：由交換開關構成可以按照程序的要求動態改變連接狀態的網絡

53）集中式共享多處理機：多個處理器共享一個存儲器的多處理機系統

54）分布式共享多處理機：多個處理器共享多個存儲器的多處理機系統

55）多Caceh一致性：多個Cache中的同一個數據要求保持一致的特性

56）寫作廢協議：通知其他保留該數據副本的Cache作廢副本數據的協議

57）寫更新協議：通知其他暴力該數據副本的Cache更新該副本數據的協議

二．簡答題

1.什麽是軟件兼容？軟件兼容有哪幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？

答：

軟件兼容：一個軟件可以不經修改或者只經過少量修改就可以由一臺計算機移植到另外一臺計算機上，差別只是時間不同

軟件兼容的種類：

向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行於比他高（低）擋的計算機

向後（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號的計算機，不加修改就能運行於在他之後（前）投入市場的計算機

根本特征：向後兼容

2.試以系列機為例，說明計算機系統結構，計算機組成，計算機實現三者之間的關系

答：

計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現，計算機實現是計算機組成的物理實現

一種系統結構可以有多種組成，一種組成可以有多種實現，同一系列計算機中各型號的計算機具有相同的系統結構，但采用不同的組成和實現技術，因而就有不同的價格和性能

3.計算機系統結構的設計和分析中最經常使用的三條基本原則是什麽？

答：

1）大概率事件優先原則（對於大概率常見事件，賦予他優先的處理權和資源使用權，以獲得全局最優結果

2）Amdahl定律（加快某部件執行速度所獲得的系統性能加速比，受限於該部件在系統中所占的重要性

3）程序局部性原理（程序的執行時所訪問的地址不是隨機的，而是相對簇聚

4. 根據Amdahl定律，系統的加速比由那兩個因素決定？

答：

可改進比例和部件加速比

5. 計算機系統中提高並行性的技術途徑有哪三種？

答：

1）時間重疊：在並行性概念中引入時間因素，即多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊的使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉時間而贏得速度，比如流水線技術

2）資源重復：在並行性概念中引入空間因素，以數量取勝的原則，通過重復設置硬件資源，大幅度提高計算機系統性能，比如多處理機系統

3）資源共享：軟件方法，使多個任務按照一定的時間順序輪流使用同一套硬件設備，比如多道程序和分時系統

6. 從當前計算機技術觀點來看，CISC結構有什麽缺點？

答：

1）各種指令的使用頻率相差懸殊

2）CISC的復雜性帶來了計算機系統結構的復雜性，增加了研制的時間和成本，還容易造成設計錯誤

3）CISC中許多指令需要復雜的操作，運行速度慢

4）CISC中指令功能的不均衡性，不利於采用先進的計算機系統結構技術來提高系統性能

7. RISC的設計原則是什麽？

答：

1）選取使用頻率最高的指令，並補充一些最有用的指令

2）每條指令的功能應盡可能簡單，並且在一個周期內完成

3）所有指令長度均相同

4）只有load指令和store指令才訪問存儲器，其他指令均在寄存器之間進行

5）以簡單有效的方式支持高級語言

8.MIPS采用哪幾種尋址方式？

答：寄存器尋址，立即數尋址，偏移尋址

9.流水線技術有哪些特點？

答：

1）流水線把一個處理過程分解為若幹個子過程，每個子過程由一個專門的功能部件來實現，因此流水線實際上是把一個大的功能部件分解為多個獨立的功能部件，並依靠他們的並行工作來提高效率

2）流水線中各段的時間應盡可能相同，否則會引起流水線的堵塞和斷流

3）流水線每一個功能部件前面都有一個緩沖寄存器，稱為流水寄存器

4）流水線技術適合於大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷的提供服務，才能充分發揮流水線的效率

5）流水線需要有通過時間和排空時間，在這兩個時間段中，流水線都不是滿負荷工作

10.在5段流水線中，一條指令的執行需要幾個時鐘周期？他們分別是什麽？

答：

5個時鐘周期

1）取指令周期

2）指令譯碼周期/讀存儲器周期

3）執行周期/有效地址計算周期

4）存儲訪問周期/分支完成周期

5）寫回周期

11.評價流水線的性能指標是什麽？

答：

吞吐率和加速比

吞吐率：單位時間內流水線所完成的任務數量

加速比：使用流水線和1不使用流水線花費時間的比值

12.什麽叫相關？流水線中有哪幾種相關？

答：

1）數據相關（此次運算需要前一次運算的結果作為數據）

2）名相關（指令所訪問的寄存器或存儲器單元相同）

3）控制相關（分支指令引起的相關）

13.單級存儲器的主要矛盾是什麽？主要采用什麽方法解決？

答：

主要矛盾：

1）速度越快，價格就越高

2）容量越大，價格就越低

3）容量越大，速度越慢

解決方法：采用多級存儲層次結構

14.在存儲層次中應解決那四個問題？

答：

1）映像規則問題：當把一個塊調入高一級存儲器時，可以放到哪些位置上

2）查找算法問題：當所要訪問的塊在高一級存儲器時，任何找到改塊？

3）替換算法問題：當發生失效時，應該替換哪一塊？

4）寫策略問題：當進行寫訪問時，應進行哪些操作？

15.地址映像方法有哪幾種？他們各有什麽優缺點？

答：

1）全相連映像（主存中的任意一塊可以放在Cache中的任何位置）

缺點；查找復雜，代價高，速度慢

優點：Cache空間利用率高，塊沖突概率低，Caceh的失效率低

2）直接映像：（主存中的任意一塊都只對應Cache中的唯一一個位置）

缺點：Cache空間利用率低，塊沖突概率高，Cache失效率高

優點：查找簡單，快速

3）組相連映像（主存中的任意一塊對應Cache中的一組位置）

直接映像和全相連映像折中的辦法

16.寫策略主要有哪兩種？他們各有什麽優點？

答：

1）寫直達法：容易實現，而且存儲器中下一級的數據總是最新的，但是速度慢

2）寫回法：速度塊，寫操作能以Cache存儲器的速度進行，而且對於同一個單元的多個寫最後只需一次寫回下一級存儲器（不直接寫回下一級存儲器，而是交給寫緩沖器去做）

17.偽相連的基本思想是什麽？

答：

采用這種方法時，在命中情況下，訪問Caceh的過程和直接映像訪問Cache的過程相同，而且發生失效時，在訪問下一級存儲器之前，會先檢查Caceh另一個位置，看是否匹配，確定這個另一塊的簡單方法是將索引字段的最高位取反，然後按照新索引去尋找偽相連中對應的塊，如果這一塊的標識匹配，則稱發生了偽命中，否則就只好訪問下一級存儲器

18.采用二級Caceh的基本思想是什麽？

答：

通過在原有的Cache和存儲器中間增加一層Cache，構成兩級Cache，把第一級Cache做得足夠小，使其速度和快速cpu的時鐘周期相匹配，，而把第二級Cache做得足夠大，使得他能捕獲更多需要1到主存去的訪問，從而降低實際失效開銷

19.采用容量小且結構簡單的Cache有什麽好處？

答：

1）可以有效提高Cache的訪問速度，因為硬件越簡單速度就越快，小容量Cache可以實現快速標識檢測，對減少命中時間有益

2）Cache足夠小，可以與處理權做在同一芯片上，以避免因芯片外訪問而增加時間開銷

3）保持Cache簡單結構可采用直接映像Cache，直接映像Cache的主要優點就是可以讓標識檢測和數據傳送重疊進行，這樣可以有效減少命中時間

20.“虛擬索引+物理標識”Cache的基本思想是什麽？

答：直接用虛地址中的頁內位移（頁內位移在虛擬地址的轉換中保持不變），作為訪問Cache的索引，但標識確實物理地址，Cpu發出訪存請求後，在進行虛地址轉換的同時，可並行進行標識的讀取，在完成地址變換後，再把得到的物理地址和標識進行比較

21.在分布式存儲結構的機器中，將存儲器分布到各節點有什麽好處？

答：

1）如果大多數的訪問是針對本結點的局部存儲器，則可降低對存儲器和互連網絡的帶寬要求

2）對局部存儲器的訪問延遲低，分布式存儲器結構的主要缺點就是處理器之間的通信較為復雜，且各處理器之間訪問延遲大

22.在分布式存儲器結構的機器中，目前有哪兩種存儲地址空間的組織方案？

答：

1）物理上分離的多個存儲器作為一個邏輯上共享的存儲空間進行編址

2）整個地址空間由多個獨立的地址空間構成，他們在邏輯上也是獨立的，遠程的處理器不能對其直接尋找

23.在分布式存儲器結構的機器中，對應於兩種地址空間的組織方案，分別有哪兩種通信機制？它們是怎麽實現的？

答：

1）共享地址空間的機器：理由load和store中的地址隱含的進行數據通信

2）多個地址空間的機器： 根據簡單的網絡協議，通過傳遞消息來請求某些服務或傳輸數據，從而完成通信

24.實現Cache一致性協議時，有哪兩種跟蹤共享數據狀態的技術？

答：

1）目錄協議：物理存儲器中共享數據庫的狀態及其相關消息被保存在一個叫做目錄的地方

2）監聽協議：每個Cache除了包含物理存儲器中塊的數據副本以外，也保存著共享狀態信息，Cache通常連接在共享存儲器的總線上，各個Cache控制器通過監聽總線來判斷是否由總線上請求的數據塊

25.目錄協議中，Cache塊有哪三種狀態

答：

1）共享：在一個或多個處理器上有這個塊的副本，且主存中的值是最新的（所有Cache均相同）

2）未緩沖：所有處理器的Cache都沒有此塊的副本

3）專有：僅有一個處理器上有該塊的副本，且已對此塊進行了寫操作，而主存的副本仍是舊的

計算機系統結構之重要知識點總結2