一．名詞解釋

虛擬機(jī)：指通過(guò)軟件模擬具有完整硬件系統(tǒng)功能的，運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)加速比：同一個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)改進(jìn)前花費(fèi)總時(shí)間和在系統(tǒng)改進(jìn)后花費(fèi)總時(shí)間的比率

Amdahl定律：計(jì)算計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某個(gè)部件改進(jìn)后能獲得多少總性能提高的定律

系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)

模擬：指用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令集

仿真：指用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的微程序取解釋實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)計(jì)算機(jī)的指令集

并行性：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作

RISC：精簡(jiǎn)指令集

尋址方式：指令集結(jié)構(gòu)如何確定要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址

數(shù)據(jù)表示：指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別，指令集可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型

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：各段可以進(jìn)行不同連接以實(shí)現(xiàn)不同功能的流水線

靜態(tài)流水線：同一時(shí)間段內(nèi)，只能進(jìn)行一種功能的流水線

動(dòng)態(tài)流水線：同一時(shí)間段內(nèi)，可以進(jìn)行多種功能的流水線

順序流水線：輸入端任務(wù)流入的順序和輸出端任務(wù)流出的順序相同的流水線

亂序流水線：輸入端任務(wù)流入的順序和輸出端任務(wù)流出的順序不同的流水線

流水線吞吐率：單位時(shí)間內(nèi)流水線完成任務(wù)的數(shù)量

流水線加速比：完成同樣一批任務(wù)，使用流水線花費(fèi)的時(shí)間和不使用流水線花費(fèi)的時(shí)間之比

流水線的效率：流水線中設(shè)備的實(shí)際使用時(shí)間和整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的比值

數(shù)據(jù)相關(guān)：此次運(yùn)算需要前一次運(yùn)算的結(jié)果作為數(shù)據(jù)、

名相關(guān)：兩個(gè)操作使用了相同的寄存器或者存儲(chǔ)器

控制相關(guān)：根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果確定后面程序的運(yùn)行

反相關(guān)：名相關(guān)的一種，指令i讀的名和指令j寫的名相同，簡(jiǎn)稱i讀j寫

結(jié)構(gòu)沖突：硬件資源不足引起的沖突

數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要暈倒前面的指令的執(zhí)行結(jié)果引起的沖突

控制沖突：流水線遇到的分支指令或者其他會(huì)改變pc值的指令所引起的沖突

定向技術(shù)：把計(jì)算結(jié)果從產(chǎn)生位置直接放到需要的位置

多級(jí)存儲(chǔ)層次：采用多種存儲(chǔ)器技術(shù)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

命中時(shí)間：cpu訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，找到所需數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間

不命中率：cpu訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有找到所需數(shù)據(jù)的比率

不命中開(kāi)銷：cpu訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有找到所需數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間

全相連映像：主存中的任意一塊對(duì)應(yīng)Cache中的任意一個(gè)位置

直接映像：主存中的任意一塊對(duì)應(yīng)Cache中的唯一一個(gè)位置

組相連映像：主存中的任意一塊對(duì)應(yīng)Cache中的一組位置

寫直達(dá)法：寫入cache之后，直接寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器

寫回法：只寫入caceh中，只有該塊被替換時(shí)，才寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器

強(qiáng)制性不命中：第一次訪問(wèn)時(shí)，Cache中沒(méi)有該程序的任何數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的不命中

容量不命中：因?yàn)镃ache容量限制導(dǎo)致某些塊被替換出去之后又再次訪問(wèn)該塊而放到不到的不命中

沖突不命中：被替換出去的塊又要訪問(wèn)而產(chǎn)生的不命中（不是因?yàn)镃aceh容量）

2：1Caceh經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：大小為N的直接映像Cache的失效率約等于大小為N/2的兩路組相連Cache的失效率

相連度：

犧牲Cache：指在Cache和其下一級(jí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通路上的一個(gè)全相連的小Cache

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間：指計(jì)算機(jī)對(duì)用戶的請(qǐng)求做出反映的時(shí)間

可靠性：規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力

可用性：考察某個(gè)時(shí)間，系統(tǒng)正常運(yùn)行的概率期望

RAID：獨(dú)立冗余磁盤陣列

互連網(wǎng)絡(luò)：一種由開(kāi)關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)

互連函數(shù)：表示輸入端號(hào)和輸出端號(hào)連接關(guān)系的函數(shù)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)間的最大距離

靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)：各結(jié)點(diǎn)間有固定連接通路且在運(yùn)行中不能改變的網(wǎng)絡(luò)

動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)：由交換開(kāi)關(guān)構(gòu)成可以按照程序的要求動(dòng)態(tài)改變連接狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)

集中式共享多處理機(jī)：多個(gè)處理器共享一個(gè)存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng)

分布式共享多處理機(jī)：多個(gè)處理器共享多個(gè)存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng)

多Caceh一致性：多個(gè)Cache中的同一個(gè)數(shù)據(jù)要求保持一致的特性

寫作廢協(xié)議：通知其他保留該數(shù)據(jù)副本的Cache作廢副本數(shù)據(jù)的協(xié)議

寫更新協(xié)議：通知其他暴力該數(shù)據(jù)副本的Cache更新該副本數(shù)據(jù)的協(xié)議

二．簡(jiǎn)答題

什么是軟件兼容？軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？

同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時(shí)間的不同。
軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。其中向后兼容是軟件兼容的根本特征。

試以系列機(jī)為例，說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。

計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。
一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成；一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。同一系列機(jī)中各種型號(hào)的機(jī)器具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但采用不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，因而具有不同的性能和價(jià)格。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？

大概率事件優(yōu)先原則。對(duì)于大概率事件（最常見(jiàn)的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。
Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。
程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。

根據(jù)Amdahl定律，系統(tǒng)加速比由哪兩個(gè)因素決定？

系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素：
可改進(jìn)比例：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例。
部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提高。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有哪三種？

時(shí)間重疊。多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。
資源重復(fù)。通過(guò)重復(fù)設(shè)置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。
資源共享。這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。

從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)看，CISC結(jié)構(gòu)有什么缺點(diǎn)？

指令系統(tǒng)龐大，指令功能復(fù)雜，指令尋址方式多，指令格式多
絕大多數(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器周期完成
各種指令都可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器
采用微程序控制
有專用寄存器，少量
難以用優(yōu)化編譯技術(shù)生成高效的目標(biāo)代碼程序

RISC的設(shè)計(jì)原則是什么？

使用頻度很高的指令
大大減少尋址方式
所有指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成
擴(kuò)大通用寄存器個(gè)數(shù)
采用硬聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)
通過(guò)精簡(jiǎn)指令和優(yōu)化設(shè)計(jì)編譯程序，以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言

MIPS采用哪幾種尋址方式？

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(diǎn)；查找復(fù)雜，代價(jià)高，速度慢
優(yōu)點(diǎn)：Cache空間利用率高，塊沖突概率低，Caceh的失效率低
直接映像：（主存中的任意一塊都只對(duì)應(yīng)Cache中的唯一一個(gè)位置）
缺點(diǎn)：Cache空間利用率低，塊沖突概率高，Cache失效率高
優(yōu)點(diǎn)：查找簡(jiǎn)單，快速
組相連映像（主存中的任意一塊對(duì)應(yīng)Cache中的一組位置）
直接映像和全相連映像折中的辦法

流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)？

流水線把一個(gè)處理過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由一個(gè)專門的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，流水線實(shí)際上是把一個(gè)大的處理功能部件分解為多個(gè)獨(dú)立的功能部件，并依靠它們的并行工作來(lái)提高吞吐率。
流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。
流水線每一個(gè)功能部件的前面都要有一個(gè)緩沖寄存器，稱為流水寄存器。
流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)，才能充分發(fā)揮流水線的效率。
流水線需要有通過(guò)時(shí)間和排空時(shí)間。在這兩個(gè)時(shí)間段中，流水線都不是滿負(fù)荷工作。

在5段流水線中，一條指令的執(zhí)行需要幾個(gè)時(shí)鐘周期？它們分別是什么？

一條指令的執(zhí)行需要5個(gè)時(shí)鐘周期。它們分別是：
取指令周期（IF）、
指令譯碼/讀寄存器周期（ID）、
執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX）、
存儲(chǔ)器/分支完成周期（MEM）、
寫回周期（WB）。

評(píng)價(jià)流水線的性能指標(biāo)是什么？

吞吐率：指在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。
流水線的加速比：指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。
效率：指流水線的設(shè)備利用率。

什么叫相關(guān)？流水線中有哪幾種相關(guān)？

相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對(duì)于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。
相關(guān)有3種類型，分別是數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)。

單級(jí)存儲(chǔ)器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法來(lái)解決？

主要矛盾：
速度越快，每位價(jià)格就越高。
容量越大，每位價(jià)格就越低。
容量越大，速度越慢。
采取多級(jí)存儲(chǔ)層次方法來(lái)解決。

在存儲(chǔ)層次中應(yīng)解決哪四個(gè)問(wèn)題？

映像規(guī)則：當(dāng)把一個(gè)塊調(diào)入高一層存儲(chǔ)器時(shí)，可以放到哪些位置上。
查找算法：當(dāng)所要訪問(wèn)的塊在高一層存儲(chǔ)器中時(shí)，如何找到該塊。
替換算法：當(dāng)發(fā)生失效時(shí)，應(yīng)替換哪一塊。
寫策略：當(dāng)進(jìn)行寫訪問(wèn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行哪些操作。

地址映像方法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

全相聯(lián)映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制復(fù)雜，代價(jià)高，速度慢。Cache空間的利用率較高，塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。
直接映像。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制簡(jiǎn)單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概率較高，因而Cache的失效率也高。
組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)的一種折中。

寫策略主要有哪兩種？它們各有什么優(yōu)點(diǎn)？

寫直達(dá)法：易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級(jí)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)總是最新的。
寫回法：速度快，寫操作能以Cache存儲(chǔ)器的速度進(jìn)行。而且對(duì)于同一單元的多個(gè)寫最后只需一次寫回下一級(jí)存儲(chǔ)器，有些“寫”只到達(dá)Cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲(chǔ)器頻帶較低。

偽相聯(lián)的基本思想是什么？

偽相聯(lián)既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率又能保持直接映像Cache的命中速度。

采用二級(jí)Cache的基本思想是什么？

通過(guò)在原有Cache和存儲(chǔ)器之間增加另一級(jí)Cache，構(gòu)成兩級(jí)Cache。把第一級(jí)Cache做得足夠小，使其速度和快速CPU的時(shí)鐘周期相匹配，而把第二級(jí)Cache做得足夠大，使它能捕獲更多本來(lái)需要到主存去的訪問(wèn)，從而降低實(shí)際失效開(kāi)銷。

采用容量小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的Cache有什么好處？

可以有效提高Cache的訪問(wèn)速度，因?yàn)橛布胶?jiǎn)單速度就越快，小容量Cache可以實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)識(shí)檢測(cè)，對(duì)減少命中時(shí)間有益
Cache足夠小，可以與處理權(quán)做在同一芯片上，以避免因芯片外訪問(wèn)而增加時(shí)間開(kāi)銷
保持Cache簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可采用直接映像Cache，直接映像Cache的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以讓標(biāo)識(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳送重疊進(jìn)行，這樣可以有效減少命中時(shí)間

“虛擬索引＋物理標(biāo)識(shí)” Cache的基本思想是什么？

直接用虛地址中的頁(yè)內(nèi)位移（頁(yè)內(nèi)位移在虛擬地址的轉(zhuǎn)換中保持不變），作為訪問(wèn)Cache的索引，但標(biāo)識(shí)確實(shí)物理地址，Cpu發(fā)出訪存請(qǐng)求后，在進(jìn)行虛地址轉(zhuǎn)換的同時(shí)，可并行進(jìn)行標(biāo)識(shí)的讀取，在完成地址變換后，再把得到的物理地址和標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較

在分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，將存儲(chǔ)器分布到各結(jié)點(diǎn)有什么好處？

如果大多數(shù)的訪問(wèn)是針對(duì)本結(jié)點(diǎn)的局部存儲(chǔ)器，則可降低對(duì)存儲(chǔ)器和互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求
對(duì)局部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)延遲低，分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)就是處理器之間的通信較為復(fù)雜，且各處理器之間訪問(wèn)延遲大

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统结构 期末复习的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。