体系结构总复习参考.docx

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体系结构总复习参考

读书破万卷下笔如有神

名字解释

1层次机构：

按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：

微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

2.虚拟计算机是采用分层的思想来看待计算机软硬件系统时（1分），下一层的系统为上一层服务，而上一层系统不需要了解底层的实现细节，下一层就是具有相应功能的虚拟的计算机系统（1分）

3计算机系统结构：

传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

4.系统加速比：

对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

5Amdahl定律：

当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

6程序的局部性原理：

程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

7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。

8CPI：

每条指令执行的平均时钟周期数。

9流水线：

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。

10静态流水线：

指在同一时间内，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的流水线。

当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。

11动态流水线：

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

它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

12数据相关：

考虑两条指令i和j，i在j的前面，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；

数据相关。

ik又与指令数据相关，而指令2）指令j与指令k（13控制相关：

是指由分支指令引起的相关。

它需要根据分支指令的执行结果来确定后面该执行哪个分支上的指令。

14名相关：

指令使用的寄存器或存储器称为名（1分）。

如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据关系，则称之为名相关。

（1分）

15线性流水线：

指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。

数据通过流水线中的各段时，每一个段最多只流过一次。

16非线性流水线：

指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。

17命中时间：

访问Cache命中时所用的时间。

18失效率：

CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。

19失效开销：

CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。

20强制性失效：

当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。

21多指令流出技术：

多指令流出技术是指令流水线在每个时钟周期内可以流出多条指令（1分），包括超标量、超流水线和超长指令字三种技术（1分）。

22RAID：

廉价磁盘冗余阵列或独立磁盘冗余阵列。

在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。

：

并行性23

读书破万卷下笔如有神

只要时间上互相重叠，就存在并行性。

24.多体交叉存储器：

是由多个存储模块和一个控制模块组成的存储器（1分），多个存储模块共用一个地址总线，分时使用一个数据总线（1分）。

（把存储芯片组织为多个体，让它们并行工作，从而能一次读或写多个字。

存储器的各个体是按字交叉的。

）

25MIMD：

即多指令流多数据流计算机系统结构，它是通用多处理机系统的常用结构（1分），具有结构灵活，性价比高的优点（1分）。

26、RAID0+1

答：

RAID0+1是廉价磁盘冗余阵列的一种复合模式，它是综合了RAID0和RAID1两种模式而成的（1分），同时拥有了RAID0模式可靠性高和RAID1速度快的优点（1分）。

27分支预测缓冲是：

用一块存储区记录最近一次或几次的分支的执行历史，以此作为依据来判断未来的分支执行情况（1分）。

用分支指令地址的低位作为索引访问这个存储区（1分）。

28定向路径是用定向技术解决数据相关的方法，定向路径的作用是将数据从产生它的功能段将数据直接送到需要使用它的功能段（2分）。

29结构相关：

某些指令组合在流水线中重叠执行时，发生资源冲突，则称该流水线有结构相关。

30超标量处理机：

一种多流出处理机。

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，不过有个上限。

设这个上限为n，就称该处理机为n流出。

31流水线寄存器文件:

在指令流水线中用来保存从上一功能段向下一功能段传递的数据和控制信号（1分），不同功能段之间的流水线寄存器文件的结构是不同的（1分）。

1、虚拟计算机是采用分层的思想来看待计算机软硬件系统时（1分），下一层的系统为上一层服务，而上一层系统不需要了解底层的实现细节，下一层就是具有相应功能的虚拟的计算机系统（1分）。

2、流水线寄存器文件:

在指令流水线中用来保存从上一功能段向下一功能段传递的数据和控制信号（1分），不同功能段之间的流水线寄存器文件的结构是不同的（1分）。

3、系列机是指体系结构相同，但具有不同的组织和实现的一系列不同型号的计算机（1分）。

系列机的主要特点是兼容性（1分）。

4、CPI是指平均每条指令具有的时钟周期数（1分），即CPI=程序的总时间周期数/程序执行了的指令数（1分）。

5、控制相关由于程序中的转移指令和分支指令（1分）使得指令流水线中的指令不能顺序执行而造成的相关成为控制相关（1分）。

6、线性流水线:

流水线的每个功能段都将数据送入下游的功能段（1分），不存在数据的反馈回路（1分），这样的流水线叫线性流水线。

7、冲突失效:

在组相联映像和直接映像Cache中（1分），如果太多的块映像到同一组中，就会发生某个块被替换出去后，又要再次进入Cache的现象（1分），称之为冲突失效。

8、多指令流出技术是指令流水线在每个时钟周期内可以流出多条指令（1分），包括超标量、超流水线和超长指令字三种技术（1分）。

9、计算机体系结构是程序员所看到的概念性的结构和功能特性（1分），是计算机系统软、硬件界面的确定及功能分配（1分）。

10、层次结构:

用分层的思想来看待计算机软硬件系统（1分），下一层的系统为上一层服务，而上一层系统不需要了解底层的实现细节，每一层以一种不同的语言为特征（1分）。

11、超标量流水线指令流水线有多条相同或不同的结构的流水线组成（1分），不相关的指令。

）分（1在流水线中可以并行处理，每个节拍流水线可以流出多条指令．

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12、失效开销当Cache访问不命中的时候，需要从主存中调入数据块（1分），这样需要耗费节多的时间（1分），这种延迟称为失效开销。

12、并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内，完成两种或两种以上性质相同和不同的工作（1分），并行性包括同时性和并发行（1分）。

14、多体交叉存储器是由多个存储模块和一个控制模块组成的存储器（1分），多个存储模块共用一个地址总线，分时使用一个数据总线（1分）。

15、分支预测缓冲是用一块存储区记录最近一次或几次的分支的执行历史，以此作为依据来判断未来的分支执行情况（1分）。

用分支指令地址的低位作为索引访问这个存储区（1分）。

10、定向路径是用定向技术解决数据相关的方法（1分），定向路径的作用是将数据从产生它的功能段将数据直接送到需要使用它的功能段（1分）。

16、强制性失效当第一次访问数据的时候，不论是指令访问还是数据访问，都不会在Cache中，需要从下一级存储器中调入，这样的失效即强制性失效（2分）。

17、MIMD即多指令流多数据流计算机系统结构，它是通用多处理机系统的常用结构（1分），具有结构灵活，性价比高的优点（1分）。

18、RAID即廉价磁盘冗余阵列，利用多个硬盘来提高存储系统的可靠性和速度性能（1分），是在一定技术条件下利用体系结构方法是存储系统获得性能提升的有效手段（1分）。

19、透明性从层次的角度看待计算机系统的时候，对上层用户来讲，不需要了解下层系统的实现细节，也能很好的完成自己的工作，这种特性称为下层系统对上层用户来说是透明的（2分）。

20、结构相关由于程序中的指令对硬件资源的争用，使得指令流水线中的指令不能按原来的顺序执行而造成的相关成为结构相关（1分）。

二简答题

2、在体系结构课程中经常提到诸如SPEC92等测试程序，并得出一系列统计表格数据。

请问它们的作用是什么？

答在相应的部件设计中，测试所设计部件见的性能（2分），用以评价所设计的部件的性能，并作为设计方案的评价基础（3分）

3、以DLX指令说明为什么定向技术不能解决所有的数据相关？

定向技术可以解决大部分先写后读相关，但有些相关定向技术不能解决。

（1分）

例如：

LWR1,0（R2）（1分）

ADDR3,R3,R1

这两条指令中，前一条指令在MEM段获得R1的数据，而后一条指令在EX段就要使用此数据，所以，这种情况下，定向技术不能解决此数据相关。

（3分）

5、共享存储器通信和消息传递通信的优点各是什么？

共享存储器通信的优点是与常用的通信方式兼容，当通信数据量小的时候通信开销少（2分），易于编程实，可以简化编译器设计（1分）；消息传递通信的优点是硬件简单（1分），通信是显示表示的，可以着重处理通信开销（1分）。

6某一执行部件改进后其速度为原来的1/4，改进后此部件的执行时间占系统总时间的50%；问改进后获得的系统加速比是多少？

系统加速比是（50%*4+50%）/（50%+50%）=2.5（5分）

，改进后此部件的执行时间占系统总时间的1/5、某一执行部件改进后其速度为原来的）6（．

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40%；问改进后获得的加速比是多少？

此部件改进前的相对执行时间为40%*5（1分），所以系统改进前的相对执行时间为40%*5+60%（1分），因此加速比为2.6（2分）。

8、Cache失效的种类有哪些？

哪些失效与Cache容量无关？

哪些失效与相联度无关？

Cache失效的种类有三种：

强制失效、容量失效和冲突失效（2分）。

强制失效与Cache容量无关（1分）；强制失效、容量失效与相联度无关（1分）。

9、什么是程序的局部原理？

程序的局部原理包括时间局部性和空间局部性（2分），时间局部性是指程序在相邻的访问中可能访问相同的数据块（1分），空间局部性指程序在一段时间内访问的数据块常常是相邻的（1分）。

10、利用DLX指令举例说明数据相关有哪些类型？

数据相关有：

先写后读相关、写写相关、先写后读相关三种。

（1分）

例如：

LWR1,0（R2）；ADDR3,R3,R1为先写后读相关（1分）；ADDR3,R2,R1；ADD

R3,R4,R5为写写相关（1分）；ADDR3,R2,R1；ADDR4,R3,R5先写后读相关（1分）。

11、RISC的设计原则是什么？

只保留常用的和必需的指令（1分）；采用指令流水线技术，除了Load/Store指令之外，其他的指令在一个时钟周期内完成（1分）；用硬布线逻辑设计电路；指令的格式简单，长度相同，并且只保留最少的寻址方式（1分）；采用Cache，并使用大量的寄存器（1分）。

13、如果想用10个处理器达到6的加速比，则程序中串行部分所占的比例最多为多少？

设程序中串行部分所占的比例为X，

则有如下方程X+（1-X）/10=1/6，解此方程，X=4/54。

（4分）

（13.）、如果想用8个处理器达到4的加速比，则程序中串行部分所占的比例最多为多少？

有如下方程X+（1-X）/8=1/4，解此方程，X=1/7。

（5分）

14、通道的种类有哪些？

各适合为什么样的外设服务？

通道的种类有：

字节多路通道，选择通道和数组多路通道（1分）。

字节多路通道适合为多台中低速外设服务（1分）；选择通道一次只能为一台高速为设服务，但不同的时候可以选择不同的外设（1分）；数组多路通道适用于磁盘磁带这样的高速外设，这些设备的传输率很高但寻址时间长（1分）。

15为什么增加Cache块的大小不一定会降低Cache失效率？

当容量不变的时候，Cache块的大小增加，会降低Cache的强制失效率（2分），但Cache块的大小增加会相应减少块数量（1分），在组相联映像和直接映像的Cache中会增加冲突失效（1分），所以增加Cache块的大小对Cache失效率的影响是先降后升的（1分）。

三问答题

1计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？

共分为哪几类？

答：

Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。

把计算机系统的结构分为：

SISD

单指令流单数据流）1（．

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（2）单指令流多数据流SIMD

（3）多指令流单数据流MISD

（4）多指令流多数据流MIMD

2、降低Cache失效率的方法有哪些？

各自有什么特点？

降低Cache失效率的方法有如下七种：

一、增加块的大小，它的特点容易实现，但是随着块的大小的增加，失效率会先降后升；（1分）二、提高相联度，它的特点是降低失效率的同时会增加命中时间；（1分）三、VictimCache，它的特点是降低失效率的同时也会降低失效开销，但它的硬件复杂度较高；（1分）四、伪相联Cache，它的特点是硬件较简单，但有两个命中时间，不适合用在一级Cache上；（1分）五、硬件预取技术，它的硬件复杂度较高，但可以降低失效开销；（1分）六、编译器控制得预取，它的硬件复杂度很高，需要使用非阻塞式Cache；（1分）七、用编译技术减少失效率，这是一种纯软件的方法，不需要硬件支持，但编译器的编写难度很高（1分）。

任何一种方法都有其局限性，所以，实际应用中常常综合应用几种方法。

（1分）

3.在“Cache—主存”层次中，主存的更新算法有哪两种？

它们各有什么特点？

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。

4、“Cache-主存”层次与“主存-辅存”层次在技术上有哪些相似、哪些区别？

“Cache-主存”层次与“主存-辅存”层次在技术上有许多相似之处，例如地址映像规则、替换算法、地址转换过程等方面都是类似的（3分）。

但它们的区别也很多表现在以下几个方面：

一、目的不同，前者是为了追求速度，而后者为了追求容量（1分）；二、存储管理实现的方法不同，前者由硬件实现，后者由软件实现（1分）；三、数据块的大小不同，前者一个块为几十个字节，后者为几千个字节（1分）；四、当数据访问失效的时候，前者不进行进程切换，而后者需要（1分）；五、速度比之不同，前者是几比一，后者是几万比一（1分）。

5、写出构成多处理机动态网络的四种方法，以及它们各有什么优缺点？

构成多处理机动态网络方法有四种：

分别是总线系统、交叉开关系统、多端口存储器和多级开关网络系统（2分）。

总线系统的优点是结构简单、易实现易扩展、但它的传输速度低，特别是多处理机较多的时候（1分）。

交叉开关系统可实现多通道并行通讯，是通信带宽最高的一种方式，但它的开关和N*N成正比，所以成本很高，一般仅用在多处理机较少的场合（2分）。

多端口存储器是一种折衷的方案，它的成本和性能都介于总线和交叉开关系统之间，它适用于由大型机构成的多处理机系统（2分）。

多级开关网络系统是针对交叉开关系统的缺点来设计的，它采用多级交叉开关系统，既保证了可连接的多处理机数量，又控制了成本（1分）。

6、RISC计算机指令集结构的功能设计必须遵循的原则有哪些？

只保留常用的和必需的指令（1分）；采用指令流水线技术（1分）；除了Load/Store指令之外，其他的指令在一个时钟周期内完成（1分）；不用或少用微程序设计，用硬布线逻辑设；只保留最少的寻址方式，简化分）1；指令的格式简单，所有长度都相同（分）1计电路（．

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译码电路（1分）；采用Cache，并使用大量的寄存器（1分）；优化编译器设计，提高流水线效率（1分）。

7、Cache的写策略有哪些？

各自有什么特点？

Cache的写策略有写直达法和写回法两种。

写直达法是指在执行写操作的时候，不仅把数据写入Cache的相应块中，也将数据写入下一级存储器中的相应块中（1分）。

Cache写回法是指Cache执行写操作的时候，仅保存到Cache中，当块替换的时候才将数据块写回到主存中（1分）。

写回法的优点是速度快，而且由于同一地址的多次写操作只有最后一次的结果被保存到主存中，所以使用的存储器的带宽较低（1分）；但写回法产生数据一致性的机会要多（1分）。

写直达法的优点是实现简单，而且下一级存储器的数据总是最新的（1分），但写存储器的次数较频繁，所以需要采用写缓冲器（1分）。

在写失效的时候，有两种选择：

按写分配式和不按写分配式。

按写分配式是指Cache执行写操作的，如果不命中，先将相应的数据块主存调度到Cache中，然后执行写操作。

不按写分配式是在写失效的时候，直接写入下一级存储器而不将相应的数据块调入Cache中（1分）。

由于两种写策略的差异，所以写回法常常采用按写分配式，而写直达法常常采用不按写分配式（1分）。

8RAID有哪些分级？

各有何特点？

答：

（1）RAID0。

亦称数据分块，即把数据分布在多个盘上，实际上是非冗余阵列，无冗余信息。

（2）RAID1。

亦称镜像盘，使用双备份磁盘。

每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，这样形成信息的两份复制品。

如果一个磁盘失效，系统可以到镜像盘中获得所需要的信息。

镜像是最昂贵的解决方法。

特点是系统可靠性很高，但效率很低。

（3）RAID2。

位交叉式海明编码阵列。

即数据以位或字节交叉的方式存于各盘，采用海明编码。

原理上比较优越，但冗余信息的开销太大，因此未被广泛应用。

（4）RAID3。

位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列。

即数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。

（5）RAID4。

专用奇偶校验独立存取盘阵列。

即数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上。

（6）RAID5。

块交叉分布式奇偶校验盘阵列，是旋转奇偶校验独立存取的阵列。

即数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是把冗余的奇偶校验信息均匀地分布在所有磁盘上。

（7）RAID6。

双维奇偶校验独立存取盘阵列。

即数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。

并且，每次写入数据都要访问一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。

9在存储层次中应解决哪四个问题？

10替换算法有哪几种？

它们各有什么优缺点？

2010年考试题

二、选择题（本大题20分，每小题2分）

1、下列描述哪个不正确？

（）

（A）翻译是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。

（B）解释执行比翻译花的时间少，但存储空间占用较多

（C）解释：

每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行

虚拟机是由软件实现的机器（D）

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2、下列描述哪个正确（）

（A）计算机组成是计算机体系结构的物理实现

（B）计算机实现是计算机组成的逻辑实现

（C）一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现

（D）系列机是在一个厂家内生产的具有不同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器

3、下列对CISC结构存在的缺点的描述哪一个不正确？

（）

（A）在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊

（B）CISC结构指令系统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

（C）CISC结构的指令系统中，许多简单指令操作太简单，因而运行速度慢。

（D）CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成

4、下列关于流水线的描述那个是错误的？

（）

（A）在同一时刻，流水线的各段一定按相同功能的连接方式工作

（B）流水过程由多个相联系的子过程组成，每个子过程称为流水线的“级”或“段”。

“段”的数目称为流水线的“深度”。

（C）各个功能段所需时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的“堵塞”和“断流”。

这个时间一般为一个时钟周期（拍）；

（D）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。

5、下列设计流水线的问题那个不正确？

（）。

（A）流水线并不能减少单条指令的执行时间，但却能提高吞吐率。

（B）流水线的深度受限于流水线的延迟和流水线的额外开销

（C）流水线的额外开销就是流水寄存器的延迟

（D）当时钟周期小到与额外开销相同时，流水已没意义。

因为这时在每一个时钟周期中已没有时间来做有用的工作。

6、计算机使用的语言是（）。

（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、全相联地址映象是指（）。

（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）组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置

（D）组间可任意装入，组内是固定装入

8、属于MIMD系统结构（）。

（A）各处理单元同时受同一个控制单元的管理

（B）各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令

（C）.松耦合多处理机和多计算机

（D）阵列处理机

9、若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（）。

（A）可获得高的吞吐率和效率

（B）流水线的效率和吞吐率恶化

（C）出现瓶颈

（D）可靠性提高

。

）指令是主要的输入输出指令，是属于（I/O”启动“、10．

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（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

1、下列描述哪个不正确？

（）

（A）传统机器级的体系结构是一般所说的高级语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。

（B）计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性

（C）按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性

（D）透明性是指在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在

2、下列描述哪个正确？

（）

（A）向下兼容是按某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高档的机器。

（B）向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系