江西师范大学计算机体系结构简答整理Word格式.docx

1、仿真是用微程序解释，其解释程序在微程序存储器中；模拟是用机器语言解释，其解释程序在主存储器中。另外仿真的速度比模拟快，但实现难度大。1.6计算机系统为什么具有层次结构性？一般可以分为哪几个层次？计算机体系结构按功能划分为多个层次有助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地位和作用，有助于理解各种语言的实质及其实现，有利于探索新的虚拟机实现方法，设计新的计算机系统。一般可以分为：M0硬联逻辑M1微程序控制M2机器语言机器M3操作系统机器 M4汇编语言机器M5高级语言机器M6应用程序机器M7系统分析1.14现代编译器有哪几部分组成？包含哪些优化转换？哪些优化转换与机器有关？

2、现代编译器主要包括语言预处理，高级优化，全局优化和代码生成四部分。包含四种优化转换类型：高级优化。局部优化。全局优化。基于机器的优化。与机器有关的优化为基于机器的优化。1.20计算机系统结构分类的依据是什么？较常用的分类有哪几种？按照性能与价格，用途，处理机个数以及计算机体系结构的并行能力来分。其中按照计算机并行能力来分常用的有3种：Flynn分类法（多倍性分类法），冯氏分类法（最大并行度分类法），Handler分类法（型号定义法）。1.21计算机系统结构的冯氏分类法是按什么分类的？它分为哪几种类型？冯氏分类法是按照最大并行度对计算机分类的。它分为字串位串，字并位串，字串位并，字并位并。1.2

3、2Flynn分类法是按照什么分类的？分为哪几类？Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性及其不同组织方式对计算机系统结构进行分类的。分为四种：单指令流单数据流单指令流多数据流多指令流单数据流多指令流多数据流。1.23什么是并行性？它包括哪两层含义？较为常用的度量标准有哪几个？可从哪几个方面进行分类？并行性是指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性和并发性两层含义。常用的度量标准有四个：指令级并行度线程级并行度数据级并行度多机级并行度。可从按执行程序的并行性、按处理数据的并行性和按信息加工步骤的并行性等三个方面进行分类。1.24多计算机系统与多处理机系统的差别有哪些？最根本的差

4、别是？主要差别有四个方面：操作系统方面，多计算机系统的各个计算机分别拥有各自独立的操作系统控制，而多处理机系统由统一的操作系统控制。在存储器方面，多计算机系统的各个计算机有各自的独立的存储器，完全执行各自独立的程序。而多处理机系统的各台处理机共享同一主存并有各自的控制部件，可执行独立的程序。信息交换方面，前者通过通道或通信线路通信，以文件和数据集形式交互作用。后者除了可用上述方式还可以向量或单个数据形式实现交互作用。并行级别方面，前者实现作业和任务级并行，后者实现任务级并行还由于共享主存可实现指令级并行。最根本的差别是多计算机是由多台计算机组成的系统，多处理机是多台处理机组成的系统只由一个操作

5、系统控制。1.26什么是并行计算机？并行计算机可分为哪几种？具有并行处理能力的计算机称为并行计算机。流水线计算机阵列计算机多处理机数据流处理机1.32什么是软件的可移植性？实现的基本方法有哪些？软件的可移植性是指软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。实现方法：通用的程序设计语言方法强力逼近的方法通用计算机语言的方法仿真与模拟和系列化的方法计算机网络的方法1.35计算机系统从中间开始设计的“中间”是指什么层次之间？该方法有什么好处？“中间”指某中间两级（一般取传统机器与操作系统级之间）。优点：软硬兼施可有效组织软硬件，避免软硬件脱节，提高计算机系

6、统效率，缩短设计周期。2.1多功能流水线：是指流水线的各段可以实现不同的连接，在不同时间内或同一时间内通过不同的联系方式实现不同的处理功能。动态流水线：指同一段时间内，多功能流水线中的各段可以实现多种连接，同时实现多种功能，当然任何一个功能段只能参加到一种连接中。非线性流水线：指在各流水段之间除有串行连接之外，还有反馈回路，数据流经有反馈回路的功能段次数可以有多次。异步流动：指任务从流水线流出的次序同它们流入流水线的次序不一样。允许启动距离：向同一条流水线连续输入两个任务之间的时间间隔称为启动距离。禁止启动距离：引起非线性流水线流水段冲突的启动距离称为禁止启动距离。启动循环：非线性流水线的启动

7、距离为一个循环数列，按这个循环数列连续输入任务时，非线性流水线不会发生冲突，则称该循环数列为非线性流水线的启动循环。局部相关：数据相关和资源相关由于对程序执行过程影响较小，仅涉及相应指令的前后一条或几条指令的执行，所以又称为局部相关。全局相关：控制相关由于对程序执行影响较大，有可能改变程序的执行方向，所以被称为全局相关。2.2什么是流水线？它有哪些表示方法？简述流水线的分类和特点。流水线技术是指把一个重复的处理过程分解为若干个子过程，当每个子过程都设置一个功能部件来实现时，一个过程的子过程可以与其他过程的不同的子过程同时进行，实现多个不同过程在时间上重叠进行的工作方式。流水线的表示方法有三种：

8、连接图，时空图和预约表。流水线按功能分为单功能流水线和多功能流水线；按照多功能流水线在同一时间段各段连接是否固定分为静态流水线和动态流水线；按照流水线级别划分为指令级流水线，运算操作流水线和宏流水线；按各功能段之间是否有反馈分为线性流水线和非线性流水线。流水线特点：流水线是由多个独立的从一个大的处理功能部件，分解而来的小功能部件组成，依靠小功能部件并行工作来提高处理速度。把一个重复的处理过程分解为若干歌词过程，每个子过程需要设置一个对应的功能部件来实现，就是流水线本质。流水线中各功能段的处理延迟时间应尽量相等吼，则将会引起流水线堵塞和断流。流水线存在不能使流水线效率得到充分发挥的装入时间和排空

9、时间。在静态流水线中，只有连续不断的提供同种任务，才能充分发挥流水线的效率。在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，以平滑各个功能段延迟时间的不一致。2.3什么是先行控制？简述先行控制的基本原理和基本结构？先行控制是通过对任务的预处理和缓冲，以平滑功能部件工作速度上的差异，使功能部件各自独立的工作始终处于忙碌状态，提高任务执行的速度。它实质是缓冲技术和预处理技术相结合的结果。先行控制方式的基本思想是：当流水线中某功能段的延迟时间较长时，则在该功能段前面设置预处理栈，一方面对后继任务进行预处理，另一方面用于缓存预处理好的后继任务，而在该功能段后面设置后行处理栈，一方面对任务进行后行处

10、理，另一方面用于缓存后行处理的任务。从而使所有的功能段都各自处于忙碌状态，某任务的流程中各功能段之间有等待的时间间隔，但各自的流程是连续的。先行控制器的基本结构有先行指令缓冲栈，先行读数栈，先行操作栈和后行写数栈。2.4什么是结构（资源）相关？它有哪几种类型？简述是如何形成和如何解决的？当多条指令重叠执行过程中硬件资源满足不了多条指令重叠执行的要求，就有可能出现两条和两条以上的指令同时争用同一功能段的现象，这就是资源相关。资源相关的类型有主存相关和操作部件相关。对于给定的流水线当成在资源相关时，为了使流水线正常流动，可以采用延迟执行方法处理。2.5什么是数据相关？数据相关是指在流水线的机器中，

11、程序中相近的两条指令，要对同一存储单元进行操作时应有一定的先后次序，否则会导致数据供求关系上的冲突，引发程序执行错误。数据相关有指令相关，操作数相关和变址相关三种。操作数相关是指在流水线的机器中程序中相近的两条指令的操作数在同一存储单元而要进行操作时，应有一定的先后次序，否则会导致数据供求关系上的冲突，引发程序执行错误。操作数相关，包括先写后读相关，先读后写相关，和写后写相关三种。操作数相关解决方法延迟指令，设置相关专用通路，数据重定向。指令相关：当多条指令重叠执行的过程中，若前面一条指令可对后面的指令进行修改或生成后面的指令，前面指令的修改或生成任务还没有完成，后面的指令被顺序取到流水线上，

12、则是无效的应作废，这就是指令相关。指令相关的处理方法是在程序中不允许修改指令。变址相关：若前面一条指令要为后面一条指令提供部分地址信息，但前面指令还未提供部分地址信息，后面的指令已在流水线上要进行地址计算，这就是变址相关。变址相关处理方法有延迟使后面的指令停止流动，在运算器和地址加法器之间设置专用通路。2.6什么是控制相关？控制相关是指在流水线的机器中，由于转移指令或中断引起程序执行方向的改变，使得转移指令或中断引起的断点指令与后续指令不能同时在流水线中执行。控制相关有四种：无条件转移相关，一般条件转移相关，复合条件转移相关和循环转移相关。控制相关的存在限制了流水线并行执行指令，克服相关对并行

13、执行指令的限制则是相关处理。相关处理的充分条件是保证程序顺序（完全串行执行）。但并不是存在相关的指令一定顺序执行，只有可能导致错误时，才必须保证顺序执行。相关处理基本思想有两种：避免发生冲突，即相关依然存在消除相关，相关不存在2.7什么是动态转移预测？它有哪几种方法？简述BHT方法的基本原理？动态转移预测：根据近期转移是否成功的记录来预测下一次转移的方向，随程序的执行过程动态地改变转移的预测方向。动态转移预测方法：转移历史表（BHT）转移目标缓冲栈（BTB）转移目标指令缓冲栈（BTIB）BHT方法基本原理：用二进制位将转移成功或不成功的信息（包括转移指令，历史状态位和转移目标地址）记录在一个转

14、移历史表来进行转移预测和状态修改。2.8衡量线性流水线的性能指标有哪些？写出在各功能段执行时间相等时性能指标之间的关系式。 线性流水线的主要指标如：吞吐率，加速比，效率。E=TP*t效率=吞吐率*tE=S/k（k为流水线段数）E=1时，加速比最大，此时S=k（课本p65）2.9线性流水线功能段数越多，效率是否越高？为什么？增加流水线的段数，流水线的吞吐率和加速比都能提高，但是由于在每一个流水段的输出端都必须设置一个锁存器，因此当段数增多时，锁存器的总延迟时间也将增加，最大吞吐率也会降低（TP=1/（t/k+d）。所以并非流水段数越多效率越高。3.1名词解释互连函数：把互联网络中输入输出的变换关

15、系通过数学表达式表示，若用X表示输入端变量，用f（x）表示输出端变量，函数f（x）称为互连函数。结点距离：互联网络中两个节点之间相连的最少边数称为这两个结点的结点距离。网络直径：互联网络中任意两个结点之间距离的最大值称为网络直径。端口带宽：互联网络中任一端口到另一端口传输信息的最大速率称为端口带宽。非阻塞网络：非阻塞网络是指任何输入输出结点对之间总可以建立连接通路，消息通信不会阻塞。直接网络：是指节点之间直接连接，消息在传递途中经过的路径由开关元件事先固定接通。通道流量：虚拟直通：没必要等到整个消息包都到达缓冲后再做路由选择，只要包含路由选择的头片到达后即可判断。3.2什么是互联网络？它一般由

16、哪几部分组成？互联网络是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。组成部分：链路，网络接口电路和交叉开关。3.3什么是交叉开关？交叉开关也称为路由器，用来建立结点对之间连接的开关阵列。输入输出端口，结点开关阵列和控制逻辑。3.6互联网络的基本特征包括哪几个方面？可用哪些方法描述？互联网络的基本特征包括：定时方式交换方法控制策略拓扑结构描述方法有：图形表示法对应表示法函数表示法3.8什么是静态互联网络？它是如何分类的？静态互联网络是指在各结点间有专用的连接通路，且在运行中不能改变的网络。按照维数分类。3.10什么是动态互联网络？动态互联网络的形式有哪几种？试比较它们间的差异。动态互联

17、网络可通过设置有源开关，根据需要借助控制信号对连接通路进行重新组合。形式主要有：总线，交叉开关和多级交叉开关。特性比较：总线互连成本最低交叉开关最昂贵每台处理器带宽角度交叉开关具有最高的处理带宽。聚集带宽角度看，多级交叉开关比总线或交叉开关具有更好的扩展性。3.12什么是多级交叉开关互联网络？它可以分为哪几种？为什么通常都采用该种网络？交叉开关互联网络是一种单级的互联网络，输入端数据经过一个开关元件就被输出。多级交叉开关互联网络是通过采用串连或并连多个小规模的交叉开关构成的。分为：阻塞网，可重排非阻塞网和非阻塞网。采用原因：成本低，运用互连函数避免了路径争用冲突。3.13 22交叉开关有哪几种

18、工作状态？它有哪两种类型？ 22交叉开关的工作状态：直送，交叉，上播，下播。类型：一是只有直送和交叉两种工作状态的开关称为“二功能交叉开关”；另外一种是具有4种功能的开关称为“四功能交叉开关”。3.14 在多级交叉开关互联网络中，交叉开关的控制方式有哪几种？ 三种：级控制，组控制和单元控制。3.16什么是路由选择？路由选择有哪几种算法？路由选择即通路选择，它是指用来实现选择经由中间节点传递信息功能的通信方法或算法。包含：确定方法有算数选路法（包括X-Y寻径算法和E-立方寻径算法），源选路法和查表选路法，另还有自适应选路法。3.18什么是虚拟通道？ 虚拟通道是指两个结点之间的逻辑链。一般由源结点

19、的片缓冲区，结点间的物理通道以及接收点的片缓冲区组成。3.20什么是死锁？简述死锁形成原因？ 死锁指消息包等待一个不可能发生的事件。死锁产生原因：是由于在缓冲区或通道上的循环等待而产生的。3.23什么是包冲突？解决包冲突的方法有哪些？多个包在某个结点为竞争缓冲区或通道资源而发生的现象。解决包冲突的方法：虚拟通道缓冲法阻塞流控制法抛弃并重发法绕道传送法3.25互联网络的通信模式有哪几种？简述贪婪选播树选播算法的基本思想。包括单播，广播，选播和会议四种。贪婪选播算法的基本思想：向那些可达到最多剩余目的结点的维方向发送包。4.1名词解释数据类型：数据类型是指具有一组值的集合，并定义了作用于该集合的操

20、作集。数据表示：数据表示是指由计算机硬件能直接识别，指令系统能引用的数据类型。CISC计算机：强化指令系统功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于该方向的指令系统而设计的计算机称为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）RISC计算机：基于尽可能降低指令系统复杂性，以达到简化实现，提高性能而设计实现的计算机称为精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）4.5什么是高级数据表示？高级数据表示包括哪几种？高级数据表示是指需要多个数据字或一个数据字要分为两个字段以上才能实现的数据表示。主要有：浮点数据表示，堆栈数

21、据表示，向量数据表示和自定义数据表示。4.6为什么要引入自定义数据表示？自定义数据表示有哪两种？为了解决指令系统识别数据类型，简化指令系统，减轻编译负担而引入了自定义数据表示。包括：标志符数据表示和描述符数据表示两大类。4.7标志符数据表示与描述符数据表示有何区别？写出它们的格式。区别：标志符只作用于一个数据，与数据合存于同一个存储单元，描述单个数据的类型特性；而描述符是与数据分开存放的，独立占据一个存储单元，用于描述所要访问的一类数据的属性。4.11写出浮点数据表示的格式，浮点数据表示的格式中包含哪些参数？N=m（r小m）的e次方包含的参数有：m为尾数的数值，e为阶码的数值r小m为尾数的基值

22、，r小e为阶码的基值p为尾数的长度，q为阶码的长度4.12简述浮点数据中尾数基值对数据表示的影响。为什么阶码基值一般选用二进制数？尾数基值取大，会扩大浮点数的表示范围，增加可表示数的个数，减少移位次数，降低右移造成的精度损失和提高运算速度，但会降低数据的表示精度，数值的分布变稀。选用二进制数作阶码基值原因：一可降低尾数规格化时的精度损失和操作复杂性；二是主要用于扩大表数范围，采用其他进制数并不比二进制优越很多。4.16线性编址方式有哪些？划分依据是什么？线性编址方式是根据零地址空间个数来分，对寄存器，主存储器和输入输出设备3种存储部件来说，零地址空间个数分别有零个，一个，二个和三个。故编址方式

23、有：三个零地址空间，二个零地址空间，一个零地址空间和零个零地址空间。4.18什么是程序装入定位？程序装入定位的方式有哪几种？在计算机中往往要运行多道程序，如何把程序和相关数据从外存装入主存储器，就涉及需要进行程序的逻辑地址空间到存储程序的物理地址空间的映像和变换，这个过程称为程序的定位。程序装入定位方式有:直接定位静态定位动态定位4.21指令格式优化设计的目的是什么？其基本思想是什么？指令格式设计的主要目的有两个：一是使指令字的平均长度短，用较少的位数来表示指令的操作信息和地址信息，以便节省程序的存储空间。二是使指令格式尽量规整，以减少硬件译码的复杂程度，提高指令的执行速度。指令格式优化设计的

24、基本思想为：质量格式的优化设计可以从操作码，地址码，寻址方式，地址结构等几个方面着手，尽量接近指令格式优化设计的两个主要目标。4.30操作码编码的基本方法有哪几种？各有什么特点？操作码编码的基本方法有：固定长度编码法，哈夫曼编码法，扩展编码法。固定长度编码方式非常规整，使硬件译码很简单，但信息冗余量比较大；哈夫曼编码的平均长度比固定长度编码平均长度要短，而且信息冗余量也小得多，但是哈夫曼编码很不规整，不利于译码；扩展编码法包含等长扩展编码法和不等长扩展编码法两种，其中，等长扩展编码的信息容量较小，规整性也较好，便于实现硬件译码，便于与地址码配合，形成规则的指令格式。4.33复杂指令系统设计的基

25、本思想是什么？可从哪几方面增强机器的指令功能？复杂指令系统设计的基本思想是，不断增强指令功能，用新的复杂指令替代原来的由软件子程序完成的功能，实现软件功能硬化，向用户提供数量众多，功能多样的指令，从而导致机器的指令系庞大和复杂，有些指令系统达到了300条。增强机器的指令功能可从面向目标程序，面向高级语言和面向操作系统三个方面考虑。4.34精简指令系统设计的基本思想是什么？具体包含的基本原则有哪些？精简指令系统功能设计的基本思想，是减少指令数目，简化指令功能，降低硬件复杂度提高指令执行速度把复杂的功能，用一段子程序通过硬化或固化来实现。具体包含的基本原则有：选取使用频率高的指令，并补充一些有最有

26、用的指令，使指令数目不超过80条。每条指令的功能应尽可能简单，执行阶段可在一个机器周期内完成。指令格式要统一规整，指令字长度应相同，寻址方式类别要少，一般不要超过两种。采用LOAD和STORE结构，减少对存储器的访问。以简单有效的方式支持高级语言。大多数指令采用硬布线控制逻辑实现，少数指令采用微程序实现。设置寄存器堆，通用寄存器的个数一般在32个以上，以便尽可能减少访存次数。注重编译的优化，通用寄存器多，应存放哪些变量，指令功能简单，目标程序长，为适合流水线操作，需要进行指令调度。4.35简述CISC结构与RISC结构的主要特点。CISC结构的特点：复杂指令系统的格式规整性差。控制存储器过大。

27、CPI很大，一般大于五。RISC结构的特点：指令系统设计简单，指令格式统一规整，非常适合VLSI电路实现。机器的执行速度和效率高。成本低，可靠性高。4.36 RISC结构实现的关键技术有哪些？为什么要采用寄存器窗口重叠？RISC结构实现的关键技术：寄存器窗口重叠技术延迟转移与指令取消技术。硬连逻辑为主的指令实现技术。优化编译技术。采用寄存器窗口重叠技术的原因：执行CALL和RETURN指令时，访问寄存器的信息量很大，大量的访存操作会大大降低处理机的速度，为了尽量减少访存操作，提出寄存器窗口重叠技术。5.1名词解释单体多字存储器：一般的单体单字存储器的一个存储单元存放一个存储字，每个存储周期只能

28、访问存储字的位。单体多字存储器是把存储器的存储器字字长增加n倍为n位，存储单元可存放n个指令字或数据字。相联处理机：以相联存储器为核心，配上必要的中央处理部件，指令存储器，控制部件和I/O接口等就构成一台以存储器并行操作为特征的相联处理机。块命中率：CPU产生的逻辑地址在存储器中访问到指定信息的概率。相联度：强制性不命中：第一次访问该一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级主存储器中调入Cache，这就是强制性不命中。容量不命中：如果程序执行时所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又被重新访问，就会发生不命中，这种不命中称为容量不命中。冲突不命中：在组相联或直接映像Cache中，若太多的块映像到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换，然后被重新访问的情况。这就是冲突不命中。伪相联：牺牲Cache:在Cache和主存储器的数据通路上增设一个全相联的，用于存放因冲