计算机体系结构 重点

1.计算机系统层次结构： 现代计算机系统是有硬件和软件组成的一个复杂系统，按功能（语言）划分可以分为多级层次机构，由低到高分别为（7个层次）：微程序机器，传统机器，操作系统机器，汇编机器，高级语言机器，应用语言机器。 多级层次结构作用（3个）：有利于正确理解计算机系统的工作，明确软件，硬件和固件在计算机系统中的作用；有利于正确理解各种语言的实质及其实现；有利于探索虚拟机器新的实现，新的计算机系统。 2计算机系统结构，计算机组成，计算机实现 计算机系统结构：是指计算机多级层次结构中机器语言级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面。（硬件子系统的概念结构及其功能特性） 计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现，主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的。包括机器的内部的数据流和控制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，主要着眼于器件技术和微组装技术。包括处理机，主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，线路划分与连接看，制造技术与工艺等。 3.透明性 一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 4 翻译 解释 翻译：先用转换程序将高一级机器上的程序整个地址变换成为低一级机器上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。 解释：在低一级机器上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。 5模拟 仿真 模拟：用软件的方法在一台计算机（宿主A）上，实现另一台计算机（虚拟机B）的指令系统，由于用纯软件解释执行，速度较慢。 仿真：用微程序的方法一台计算机（宿主机A）上实现另一台计算机（目标机B）的指令系统，由于部分硬件、固件参与解释执行，故速度比“模拟”快。 6并行性 耦合度 耦合度：耦合度反映出多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。并行性：并行性是指在同一时刻或是同一时间段内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。 7软件的可移植性 是指一个软件可不经修改或只需少量修改便可由一条机器移植到另一台机器上去运行，即同一软件可应用于不同的环境。 8Amdahl定律： 系统中某一部件采用某种更快改进方式后所能获得的系统性能改进程度，取决于改部件被使用的频率，以及该部件在改进前与改进后执行时间的加速比。 9Flynn分类： 按照指令流和数据流的多倍性状况对计算机系统进行分类：SISD、SIMD、MISD、MIMD, 简答： 1计算机系统也按照不同层次的语言划分为那些层次？低层机器级为高层机器级的实现提供支持，请简要说明其主要的两种实现技术？ 划分层次从低到高：微程序语言级，传统机器语言级，操作系统语言级，汇编语言级，通用高级语言级，应用语言级。低级机器级为高层机器级的实现提供支持，实现的技术是翻译和解释。翻译，先用转换程序将高一级机器上的程序整个地变换为低一级机器上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。解释：在低一级机器上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。 2什么是计算机系统结构，计算机组成，计算机实现？他们之间是什么关系？ 计算机系统结构：是指计算机多级层次结构中机器语言级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面。（硬件子系统的概念结构及其功能特性） 计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现，主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的。包括机器的内部的数据流和控制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，主要着眼于器件技术和微组装技术。包括处理机，主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，线路划分与连接看，制造技术与工艺等。 关系：计算机系统结构式指令系统及其执行模型；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。 3什么是并行性？它包含哪两方面的含义？简要说明提高并行性的3种主要途径，沿这途径分别发展出什么类型的计算机（并各举一例） 并行性是指在同一时刻或是同一时间段内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。（1）时间重叠，流水线处理机 （2）资源重复，多处理机系统 （3）资源共享：分布式处理系统 4什么是耦合度？多级系统的耦合度可以分为哪三种类型，简要说明原因。 耦合度反映出多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。 （1）最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也无共享的联机硬件资源。 （2）松散耦合：通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。 （3）紧密耦合：机间物理连接的频带较高，往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。 5什么是软件的可移植性？如何实现软件的可移植性？ 指一个软件可不经修改或只需少量修改便可由一条机器移植到另一台机器上去运行，即同一软件可应用于不同的环境。 6Flynn分类法是按照什么来分的？可分为哪几类？简要说明各类的特征。 按照指令流和数据流的多倍型来划分的。可分为四类：单指令单数据流（SIDI）。。。 应用题： CUP性能公式，一个程序运行时间：T=I*CPI*t （I为总的指令数，CPI平均每条指令周期数，t，指令周期数即频率R的倒数） Amdahl定理，加速比S=1/（1-f+f/e） (f为加速部分所占比例，e为加速大小) MIPS公式。MIPS=I/(CPI*1000000*T)=1/(CPI*t*1000000)=R/（CPI*1000000） 第二章 1.数据类型，数据示，数据结构，自定义数据结构 数据类型：计算机系统中可以使用和处理的各种数据类型。 数据表示：计算机硬件能够直接使用，能被指令系统直接调用的那些数据类型。 数据结构：面向系统软件，面向应用领域所需处理的的各种数据类型。 自定义数据表示：指在机器语言中，由数据自己定义数据本身的属性，从而简化了指令系统和编译器。分为带标志符的数据表示和数据描述符两类.。 2规格化浮点数，表数范围，表数精度，表数效率 规格化浮点数：通常把尾数最高位为0的浮点数称为规格化浮点数。 简答题 .1.什么是数据类型，数据表示，数据结构，说明他们间的关系。 数据类型是指计算机中可以使用和处理的各种数据类型。 数据表示是指可以被计算机硬件识别，被指令系统直接调用的数据类型。 数据结构式指面向系统软件，面向应用领域所需处理的各种数据类型。 关系：数据结构反映了结构数据类型中华那个各种数据元素或信息单元之间的结构关系，数据表示数据结构的一个基础子集合，数据结构通过一定的算法变成数据表示才能在系统中处理，不同的数据表示对数据结构提供不同程度的支持，它关系到数据结构的实现效率及方便性。 2.什么是自定义数据结构，它分为哪两种类型，请简要说明。 带标志符的数据表示：在数据中采用若干位来表示数据的属性。 数据描述符：用于描述符合数据结构。如向量，矩阵等 3.什么是信息熵H，什么是信息冗余量，在优化编码时，他们起什么作用。 信息熵：表示用二进制编码表示N个码点时，理论上的最短平均码长。 信息冗余量：表明消息编码中“无用成分”所占的百分比，用来衡量代码优化的程度。 作用：寻找一个相对较优化的编码。 4.简述RISC设计一般原则。 (1)只选择使用频度很高的指令 (2)减少指令，寻址方式的种类 (3)大多数指令都在一个机器周期内完成 (4)采用寄存器见预算结构 (5)硬件联控为主，固件实现为辅。 (6)优化设计编译程序 5.RISC采用了哪些关键技术？各式什么含义？ （1）在CUP中设置大量的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口的技术； （2）指令采用重叠和流水的方式解释执行，并采用优化延迟转移技术； （3）在逻辑上采用硬联实现为主，适当辅以微程序解释的技术； （4）采用优化编译技术 应用题 浮点数据表示：（1）正算：已知格式，求表数范围，表数精度，表数效率（2）倒算：已知表数范围，表数精度，求格式。（p为尾数长度，q为阶码长度） 表数范围公式： 表数精度公式： 表数效率公式：0.5 指令操作码优化：定长编码，哈弗曼编码，扩展编码，常常要算平均编码长度，有时还要和熵比较，算信息冗余量 指令集格式设计：一般先要设计操作码，然后根据指令集各种长度的指令数目，设计各类指令的格式。 第三章 1存储系统，虚拟存储系统，Cache存储系统 存储系统：指两个或者两个以上速度，容量和价格各不同的存储器用硬件，软件，或软件硬件结合的方法连接而成的一个完整的系统。 虚拟存储系统：有主存—辅存构成。 Cache存储系统：由Cache—主存构成。 2.程序访问的局部性，时间局部性，空间局部性，预取技术 程序访问局部性：为了使层次化的存储系统高效工作，CPU要访问某个地址时，总是希望能在速度最快的存储器捉弄个找到它，这就要求被访问的地址在某种程度上能够预取，我们称之为访问局部性。 时间局部性：指程序在最近的未来要用到的信息很可能是现在使用的信息。 空间局部性：指程序在最近的未来要用到的信息与现在正在使用的信息，很可能在程序空间上是相邻的或者是相近的。 预取技术： 3.并行存储器，单体多字并行存储器，高位交叉访问存储器，低位交叉访问存储器 并行存储器：设置多个独立的存储体，使它们并行工作，在一个存储周期内可访问到多个存储字，是有效提高存储器访问频宽和速度的最直接方法。 单体多字并行存储器：一般的存储器中一个存储单元放一个存储字，每个存储周期只能访问到一个存储字的w位。单体多字存储器把存储器字长增加n倍，以存放n个指令字或数据字。 高位交叉访问存储器：用地址码的高位区分存储体号，扩到存储器容量。 低位交叉访问存储器：用地址码的低位区分存储体号，提高存储器访问速度。 4.虚地址，虚拟空间，实际地址 虚地址：在虚拟存储技术中，把程序经编译生成的访问地址称为虚地址。 虚拟空间：用虚地址表示的存储空间叫虚拟空间 实际地址：主存中的地址称为主存实际地址，辅存中的地址称为辅存实际地址。 5.页面失效，实页争用，页面替换，内部地址变换，外部地址变换，堆栈型替换算法。 页面失效：指当前被访问存储器中没有所需的信息，即不命中现象。 页面争用：指虚页调入时，根据地址映象方式划定的实空间范围内已没有空闲实页的状况。 页面替换：在发生页面失效以及实页争用时，选择将来不太可能使用或者使用最晚的虚页作为调入对象，以腾出一个实页来放新调入的页面。 内部地址变换：虚地址到主存地址的地址变换。 外部地址变换：把虚拟地址变换成辅存物理地址。 堆栈型替换算法：是对某些替换算法的统称。如果某些替换算法在同一地址流同一时刻的小容量分区情况下的保留页面集合必是大容量分区情况下的保留页面集合的子集（当容量超过虚页总数时，保留页面集合相同），则小容量下的命中点到大容量情况下仍然是命中点，并且随着容量加大，还可能会有新的命中点产生。具有这一特性的一类替换算法称为... 6.地址映象，直接映像，组相连映像，段相连映像 地址映像：按照某种规则把主存中的块装入Cache，建立主存块与Cache块之间的位置对应关系。 直接映像：主存中一块只能映像到Cache的一个特定的块中，整个Cache地址与主存地址的地位部分完全相同。 组相联映像： 段相联映像： 7.Cache的一致性问题，写直达法，写回法 Cache的一致性问题：物理Cache中的块位置上存放的块是主存块的副本，所以，Cache块应与相应的主存块Cache块应与相应的主存块不一致，即Cache的一致性问题。 写直达法：当Cache写命中时，把数据同时写入Cache块和主存块中，当Cache写不命中时：（1）写分配，完成对主存的修改，并将被修改的行装入到Cache中。（2）只对主存进行修改。 写回法：当Cache写命中时，只修改Cache块的内容，而不立即写入主存，仅当Cache块被替换时，才将被修改过的Cache块写回主存中，更是新相应的主存块（每个Cache行必须有一个修改位，以反映该行是否被修改过）；当Cache写不命中时，（1）写分配，要修改的块被调入到Cache中进行修改（而主存中的对应块没有修改）（2）写不分配，只对主存进行修改。 简单题： 1.什么是存储系统？存储系统的设计目标是什么？计算机系统中有哪些常见的存储系统？ 指两个或者两个以上速度，容量和价格各不同的存储器用硬件，软件，或软件硬件结合的方法连接而成的一个完整的系统。设计目标：低价格，高速度，大容量。常见的：虚拟存储系统，Cache存储系统。 2.什么是程序访问的局部性，它包含哪两方面的含义？它对于存储系统有何意义？ 程序访问局部性：为了使层次化的存储系统高效工作，CPU要访问某个地址时，总是希望能在速度最快的存储器捉弄个找到它，这就要求被访问的地址在某种程度上能够预取，我们称之为访问局部性。 时间局部性：指程序在最近的未来要用到的信息很可能是现在使用的信息。 空间局部性：指程序在最近的未来要用到的信息与现在正在使用的信息，很可能在程序空间上是相邻的或者是相近的。 程序访问局部性院里是存储层次得以构成和管理的主要依据。 3.虚拟存储器的存储管理有哪几种方式，各是怎样工作的？ 段式管理： 页式管理： 段页式管理： 4.简述Cache存储系统常用的替换算法。 随机算法：用软件或硬件随机产生被替换的虚页号 先进先出：最早装入主存的虚页作为被替换的页 最近最少使用（LRU）根据时间局部性，选择过去近期最少访问的虚页作为被替换的页。 最久没有使用算法（LFU）：选择过去近期最久未使用的虚页作为被替换的页。 最优替换算法（OPT）：选择将来一段时间内最久不被访问的页作为被替换页。 5.什么是堆栈型替换算法？哪些替换算法是堆栈型替换算法？ 堆栈型替换算法：是对某些替换算法的统称。如果某些替换算法在同一地址流同一时刻的小容量分区情况下的保留页面集合必是大容量分区情况下的保留页面集合的子集（当容量超过虚页总数时，保留页面集合相同），则小容量下的命中点到大容量情况下仍然是命中点，并且随着容量加大，还可能会有新的命中点产生。具有这一特性的一类替换算法称为... LFU，LRU，OPT是堆栈型，RAND,FIFO非堆栈型。 6.说明Cache存储系统中常用的4中地址映像的方法 全相联：主存块中任意一块都可以映像到Cache块中的任意一块 直接相连：主存中一块只能映像到某些cache块中。b = B/mod C 组相联：主存和Cache按同样大小划分块，划分组。组间直接映像，组内全相联。 段相联：主存和Cache按同样大小划分块，划成段。段间全相联，段内直接映像。 7.什么是单处理机中Cache一致性问题，说明其解决方法。 Cache的一致性问题：物理Cache中的块位置上存放的块是主存块的副本，所以，Cache块应与相应的主存块Cache块应与相应的主存块内容不一致，即Cache的一致性问题。 写直达法：当Cache写命中时，把数据同时写入Cache块和主存块中，当Cache写不命中时：（1）写分配，完成对主存的修改，并将被修改的行装入到Cache中。（2）只对主存进行修改。 写回法：当Cache写命中时，只修改Cache块的内容，而不立即写入主存，仅当Cache块被替换时，才将被修改过的Cache块写回主存中，更是新相应的主存块（每个Cache行必须有一个修改位，以反映该行是否被修改过）；当Cache写不命中时，（1）写分配，要修改的块被调入到Cache中进行修改（而主存中的对应块没有修改）（2）写不分配，只对主存进行修改。 应用题 1存储系统的命中率，访问效率的关系 2并行存储器：高位交叉，低位交叉 3虚拟存储器：页面替换算法，堆栈替换算法 4Cache存储器：不同的地址映像方式下的块替换算法