《计算机系统结构》复习题

计算机系统结构复习填空（15*1分），选择（15*1分），简答题（5/630分），综合题（4*10分）1、从使用语言角度，可将系统按功能划分为多层次机器级结构，层次结构分别是：应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。2、各机器级的实现主要靠翻译和解释或两者结合进行。翻译是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级上实现的技术。解释则是在低级机器上用它的一串语句或指令来仿真高级机器上的一条语句或指令的功能，是通过对高级的机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。3、计算机系统结构在计算机系统机器级层次中指传统机器级的系统结构。4、计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，为机器语言、汇编语言程序设计或编译程序生成系统提供使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到的遵循的计算机属性。5、计算机系统结构的属性包括：1.数据表示、2.寻址方式、3.寄存器组织、4.指令系统、5.存储系统组织、6.中断机构、7.系统机器级的管态和用户态的定义和切换、8.机器级的I/O结构、9.系统各部分的信息保护方式和保护机构等。6、机器透明性：指相对于每一机器级设计人员，都客观存在的功能或属性看不到的现象，称相对于此级设计人员来说，这些功能或属性是具有透明性，即透明的。7、计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器级内部各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。8、计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样更好、更合理地把各种设备各部件组织成计算机，来实现所确定的系统结构。9、当前，计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度，以及功能的分散和设置专用功能部件来进行的。10、计算机组成设计要确定的方面一般应包括：1.数据通路宽路、2.专用部件的设置、3.各种操作对部件的共享程度、4.功能部件的并行度、5.控制机构的组成方式、6.缓冲和排队技术、7.预估预判技术、8.可靠性技术等。11、计算机实现指计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。13、软、硬件取舍的三个基本原则是：（1）.考虑在现有硬件、器件(主要是逻辑器件和存储器)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。（2）.考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。（3）.从“软”的角度考虑如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持。14、程序在系统上运行的时间应该是衡量机器时间（速度）性能最可靠的标准。15、计算机性能通常用峰值性能及持续性能来评价。峰值性能是指在理想情况下计算机系统可获得的最高理论性能值，它不能反映出系统的实际性能。16、持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和几何性能平均值三种。17、算术性能平均值通常对系统执行时间评价；调和性能平均值与运行全部程序所需的时间成反比，比较准确地衡量计算机的时间（速度）性能；几何性能平均值是对不同机器进行性能比较时，可以对性能采取归一化，即可以以某台机器性能作为参考标准，让其他机器的性能与参考标准去比，不论哪台机器作参考机，几何性能平均值均能正确地反映出结果的一致性。18、计算CPU的程序执行时间Tcpu有3个因素，即程序执行的总指令条数IC、平均每条指令的时钟周期数CPI、主时钟频率fc。19、MIPS是机器单位时间执行指令的条数。它与时钟周期数CPI有关，CPI越少，MIPS就越高，一定程度上反映机器的性能越好。MIPS很大程度依赖于机器的指令系统，用它很难准确衡量指令系统不同的机器之间的性能。因此MIPS只能用于比较相同机器指令系统的计算机之间的性能。即使是同一台机器，程序不同，其CPI也不同，其性能的差异会很大。其次MIPS还与机器硬件有关，如浮点运算部件的机器，虽MIPS很低，但浮点运算速度会很高，而在软件实现浮点运算机器上，MIPS虽然很高，但浮点运算速度可能很低。MFLOPS只能反映机器执行浮点操作的性能，并不能反映机器的整体性能。20、简述Amdahl定理？答：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。Told：没有采用改进措施前执行某任务的时间Tnew：采用改进措施后执行某任务的时间Sp：加速比（系统改进后的性能与未改进时的性能的比值）Sp=Told/TnewFe:计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占比例。rnew：改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施的性能提高倍数。（部件加速比）21、程序访问的局部性包括时间上和空间上的两个局部性。22、什么是时间上的局部性？指最近将来要用到的信息很可能就是现在正在使用的信息，这是因为程序存在着循环。23、什么是空间上的局部性？指最近将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序位置上是邻近的，这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也通常是以向量、阵列、树、表等形式簇聚地存放在一起。24、系统结构的差异决定软件的移植工作量，要实现软件移植工量小，常采用三种方法来实现：统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真。25、模拟是指？仿真是指？B机器的每条机器指令用A机器一段机器语言程序解释,如同A机器上也有B机器的指令系统一样,这种用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟.进行模拟的A机器称为宿主机,被模拟的B机器称为虚拟机.用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法就称为仿真。进行仿真的机器称为宿主机,被仿真的B机器称为目标机。为仿真所写的解释程序称为仿真微程序。26、多级存储体系的采用是依据_局部性原理_原理建立，且存储速度提高，但存储体价格下降。27、B机上的每条指令都由A机上的一段微程序解释执行称为仿真。28.流水线分为静态流水线和动态流水线。静态：某一时间内各段只能按同一种功能连接流水。动态：同一时间内可按不同运算或功能连接。29、衡量浮点操作的指标是MFLOPS，衡量指令执行速度的指标是____MIPS____。30、指令系统设计的两大典型风格是___CISC___和____RISC___________。31、克服流水中的瓶颈段的两种方法是：瓶颈流水段的细分和瓶颈流水段的重复。32、流水线中出现的3种相关是：结构相关，数据相关，控制相关。33、系统结构的差异决定软件的移植工作量，避免软件移植瓶颈，常采用三种方法来解决，三种方法是统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真。34、向量的处理三种方式有：（1）横向处理方法；（2）纵向处理方法；（3）纵横向处理方法。35、处理器间采用单向环网时的互连函数是：PM2+0或PM2-0。36、以硬件为基础实现多Cache（缓存）一致性方法有：写作废法、写更新法、目录表法。37、编址方式常分为三种,它们是___隐含编址__,__独立编址__和统一编址。38、阵列处理机的基本结构分为两种：（1）分布式存储器的阵列机；（2）共享存储器的阵列机。39、程序并行性相关性有三种，即数据相关、数据反相关、数据输出相关。40.寻址方式的三种面向：面向主存，面向寄存器，面向堆栈。41.指令系统的特性：1.规整性；2.对称性；3.独立性和全能性；4.正交性；5.可组合性；6.可扩充性42.中断的响应次序是在同时发生多个不同中断类的中断请求时，中断响应硬件中的排队器所决定的响应次序。43.中断的处理次序46、数据表示指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构是要通过软件映像，变换成机器中所具有的数据表示来实现的。数据表示和数据结构是软，硬件的交界面。47、自定义数据表示包括标志符数据表示和数据描述符两类；高级数据表示：自定义数据表示，向量数组数据表示，堆栈数据表示。48、在指令系统设计、发展和改进上，RISC采用：通过减少指令种数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。49、在指令系统设计、发展和改进上，CISC采用：进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。51、流水线的表示法有三种：连接图法、时空图法、预约表法。52、定向技术法的基本思想：如果后续指令要使用前面指令的运算果值，则通过硬件专门电路将该运算结果提前传送到有关缓冲寄存器，使后续指令得以不停顿地进入流水线。53、衡量流水线性能的主要指标有：吞吐率、加速比和效率。54.I/O系统的三种控制方式：a.程序控制I/O(包括全软的，程序查询的，中断驱动的)b.直接存储器访问（DMA）c.I/O处理机方式（通道方式，外围处理机方式PPU）55.标量流水机全局性相关的处理：(1)使用猜测法。（2）加快和提前形成条件码。（3）采取延迟转移。（4）加快短循环程序的处理。55.指令系统的发展和改进：P64简答题CISC可分别从面向目标程序，面向高级语言，面向操作系统的优化实现三个方面来叙述。RISC:逻辑采用硬联和微程序相结合；在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口。56.RISC重叠寄存器窗口的作用：(1).减少访存，尽量让指令在寄存器之间进行，提高执行速度，缩短指令周期，简化寻址方式和指令格式。(2).更简单有效的支持高级语言中大量出现的过程调用，减少过程调用中为保存主调过程现场，建立被调过程新现场，以及返回时恢复主调过程现场等所需的辅助操作。(3).更简单，直接地实现过程中的参数传递。57.设计RISC机器的一般原则及可采用的基本技术是哪些？设计RISC机器的一般原则：1.精简指令的条数；2.简化指令的格式，让指令字等长，并让所有指令都在一个机器周期执行完；3.扩大机器中通用寄存器的个数，只让存取两类指令可以访问，其他的指令一律只能对寄存器进行操作；4.指令的实现以组合电路硬联实现为主，少量指令可采用微程序解释；5.精心设计高质量的编译程序来优化支持高级语言程序的实现。设计RISC机器的基本技术：1.按设计RISC机器的一般原则来精选和优化设计指令系统；2.逻辑上采用硬联组合电路为主，适当辅以微程序控制来实现；3.在CPU内设置大量的寄存器，并采用重叠寄存器组的窗口；4.指令采用重叠和流水的方式解释，并采用延迟转移；5.采用高速缓冲存储器Cache缓冲指令和数据。56、将下面程序改写成不存在数据相关的形式?Z=0DO10I=1，64X(I)=X(I)+Y(I)Z=Z+X(I)10CONTINUE57、简述计算机系统结构、计算机组成和计算机实现的定义和相互关系？答：计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流的组成以及逻辑设计等。计算机实现：是指计算机组成的物理实现。包括处理机、主存、等部件的物理结构，器件集成度、速度、信号传输等。相同系统结构，可以有不同的组成；一种组成可以有多种不同的实现方法；采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异；组成也会影响结构。62、向量流水处理的三种方式：1．横向处理方式，又称为水平处理方式，横向加工方式等。向量计算是按行的方式从左至右横向地进行。2．纵向处理方式，又称为垂直处理方式，纵向加工方式等。向量计算是按列的方式自上而下纵向地进行。3．纵横处理方式，又称为分组处理方式，纵横向加工方式等。横向处理和纵向处理相结合的方式。63、向量链接技术：结果寄存器可能成为后继指令的操作数寄存器，两条有数据相关的向量指令并行执行，这种技术称为两条流水线的链接技术64、实