...wd......wd......wd...名詞解釋 填空 選擇 簡答 計算計算機系統的多級層次構造：系統構造的概念：計算機系統構造指的是計算機系統的軟、硬件的界面，即機器語言程序員或編譯程序設計者所能看到的傳統機器級所具有的屬性。在計算機技術中，對本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明性。對于通用存放器型機器，這些屬性主要是指：〔選擇題〕指令系統〔包括機器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機構等〕數據表示〔硬件能直接辯認和處理的數據類型〕尋址規則〔包括最小尋址單元、尋址方式及其表示〕存放器定義〔包括各種存放器的定義、數量和使用方式〕中斷系統〔中斷的類型和中斷響應硬件的功能等〕機器工作狀態的定義和切換〔如管態和目態等〕存儲系統〔主存容量、程序員可用的最大存儲容量等〕信息保護〔包括信息保護方式和硬件對信息保護的支持〕I/O構造〔包括I/O連接方式、處理機/存儲器與I/O設備間數據傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態等〕計算機組成指的是計算機系統構造的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計。計算機實現指的是計算機組成的物理實現。數據表示是指計算機硬件能夠直接識別、指令集可以直接調用的數據類型。數據類型、數據構造、數據表示之間的關系數據類型數據類型數據表示數據構造系列機指由同一廠商生產的具有一樣體系構造、但具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器。常見的計算機系統構造分類法有兩種：Flynn分類法和馮氏分類法。馮氏分類法是用系統的最大并行度對計算機進展分類；Flynn分類法是指按照指令流和數據流的多倍性進展分類。定量分析技術〔簡答題〕：以經常性事件為重點：在計算機系統設計中，經常需要在多種不同的方法之間進展折中，這時應按照對經常發生的情況采用優化方法的原則進展選擇。Amdahl定律：加速某部件執行速度所能獲得的系統性能加速比，受限于該部件的執行時間占系統中總執行時間的百分比。CPU性能公式：執行一個程序所需的CPU時間=執行程序所需的時鐘周期數*時鐘周期時間程序的局部性原理：指程序執行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機的，而是相對簇聚的。分為時間局部性和空間局部性。馮諾依曼構造的特點：以運算器為中心；在存儲器中，指令和數據同等對待；存儲器是按地址訪問、按順序線性編址的一維構造，每個存儲單元的位數是固定的；指令是按順序執行的；指令由操作碼和地址碼組成；指令和數據均以二進制編碼表示，采用二進制運算。實現可移植性的常用方法有三種：采用系列機、模擬與仿真、統一高級語言。系列機在兼容方面，向后兼容一定要保證，盡量保證向上兼容模擬是指用軟件的方法在一臺現有的計算機上實現另一臺計算機的指令集。〔軟件方法〕仿真是指用一臺現有計算機上的微程序去解釋實現另一臺計算機的指令集。〔硬件方法〕并行性包括同時性和并發性。從執行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：〔簡答〕指令內部并行：單條指令中各微操作之間的并行指令級并行：并行執行兩條或兩條以上的指令線程級并行：并行執行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內派生的多個線程為調度單位。任務級或過程級并行：并行執行兩個或兩個以上的過程或任務，以子程序或進程為調度單位。作業或程序級并行：并行執行兩個或兩個以上的作業或程序。提高并行性的技術路徑〔12字〕：時間重疊、資源重復、資源共享能夠對嚴密耦合系統和松散耦合系統進展區分：嚴密耦合系統共享主存，松散耦合系統共享外設CISC指令集構造存在的問題：各種指令的使用頻度相差懸殊指令集龐大，指令條數很多，許多指令的功能又很復雜，許多指令由于操作繁雜，其CPI值比較大，執行速度慢。由于指令功能復雜，規整性不好，不利于采用流水技術來提高性能。設計RISC機器遵循的原則指令條數少而簡單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎上補充一些最有用的指令。采用簡單而又統一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位。指令的執行在單個機器周期內完成。(采用流水線機制)只有load和store指令才能訪問存儲器，其他指令的操作都是在存放器之間進展。〔即采用load-store構造〕大多數指令都采用硬連邏輯來實現。強調優化編譯器的作用，為高級語言程序生成優化的代碼。充分利用流水技術來提高性能。指令動態調度是在程序的執行過程中，依靠專門硬件對代碼進展調度。靜態調度的流水線依靠編譯器對代碼進展靜態調度，以減少相關和沖突。數據構造指由軟件進展處理和實現的各種數據類型。MIPS的數據尋址方式只有立即數尋址和偏移量尋址。流水技術是指：將一個重復的時序過程分解成為假設干個子過程，而每個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執行。流水線的段數稱為流水線的深度。流水技術的特點流水線把一個處理過程分解為假設干個子過程〔段〕，每個子過程由一個專門的功能部件來實現。流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞、斷流。時間長的段將成為流水線的瓶頸。流水線每一個功能部件的后面都要有一個緩沖存放器〔鎖存器〕，稱為流水存放器。流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發揮流水線的效率。流水線需要有通過時間和排空時間。流水線分類：按流水線所完成的功能分：單功能流水線和多功能流水線按照同一時間段內各段之間的連接方式分：靜態流水線和動態流水線按照流水的級別分：部件級流水線、處理機級流水線和處理機間流水線按照流水線中是否有反響回路分：線性流水線和非線性流水線按照任務流入和流出的順序分：順序流水線和亂序流水線解決流水線瓶頸問題的常用方法：細分瓶頸段、重復設置瓶頸段程序中的相關有三種類型：數據相關、名相關〔反相關、輸出相關〕、控制相關流水線中的相關有：數據相關、構造相關、控制相關處理機找中的相關：數據相關、控制相關控制相關帶來了兩個限制：與一條分支指令控制相關的指令不能被移到該分支之前，否則這些指令就不受該分支控制如果一條指令與某分支指令不存在控制相關，就不能把該指令移到該分支之后。流水線沖突三種類型：構造沖突、數據沖突和控制沖突數據沖突：寫后讀沖突、寫后寫沖突、讀后寫沖突在Tomasulo算法中，Vj，Vk：源操作數的值。對于每一個操作數來說，V或Q字段只有一個有效。基于硬件的前瞻執行時，執行的結果不是寫回到存放器或存儲器，而是放到ROB緩沖器中。通過保存站重新命名存放器。多流出處理機有兩種基本風格：超標量和超長指令字循環展開技術：屢次復制循環體并相應調整展開后的指令和循環完畢條件，增加有效操作時間與控制操作時間比率，也給編譯器進展指令調度帶來了更大的空間。循環展開和指令調度時要注意以下幾個方面〔簡答題〕保證正確性。注意兩個地方的正確性：循環控制，操作數偏移量的修改。注意有效性。只有找到不同尋呼臺之間的無關性，才能夠有效地使用循環展開。使用不同的存放器。如果使用一樣，或較少數量的存放器，可能導致新的沖突。盡可能減少循環控制中的測試指令和分支指令。注意對存儲器數據的相關性分析注意新的相關性。由于原循環不同次的迭代在展開后都到了同一次循環體中，因此可能帶來新的相關性。從用戶角度看，存儲器的三個主要指標：容量、速度和價格。存儲層次的性能參數。P155存儲層次的平均每位價格C命中率H平均訪存時間Ta映像規則：全相聯映像、直接相聯映像、組相聯映像可以從三個方面改進Cache的性能：〔簡答題〕降低失效率：增加塊大小、增加Cache容量、提供相聯度、VictimCache、偽相聯映像Cache、硬件預取指令和數據、編譯器控制的預取、用編譯技術減少Cache失效次數。減少失效開銷：VictimCache、硬件預取指令和數據、編譯器控制的預取、使讀失效優于寫、寫緩存歸并、盡早重啟動和關鍵字優先、非阻塞Cache、兩級Cache減少命中時間：容量小且構造簡單的Cache、對Cache進展索引時不必進展地址變換、流水化Cache訪問、TraceCache按照產生失效的原因不同，可以把失效分為：強制性失效、容量失效和沖突失效2：1的Cache經歷規則，即大小為N的直接映像Cache的失效率約等于大小為N/2的2路組相聯Cache的失效率。請求字優先：調塊時，從請求字所在的位置讀起。這樣，第一個讀出的字便是請求字，將之立即發送給CPU。有關虛擬存儲器問題：映像規則：全相聯映像查找算法：頁表、段表、TLB替換算法：LRU寫策略：寫回法中斷響應次序由硬件決定，不可改變，中斷處理次序通過中斷屏蔽碼的設置來改變。反映存儲外設可靠性性能參數有：可靠性、可用性和可信性。通道的種類：字節多路通道、選擇通道和數組多路通道。在字節多路通道中，實際流量是連接在這個通道上所有設備的數據傳輸率之和。對于選擇通道和數組多路通道，在一段時間內，一個通道只能為一臺設備傳送數據。此時通道的實際流量就等于該設備的數據傳輸率。因此這兩種通道的實際流量就是連接在這個通道上所有設備中數據流量最大的那一個。互聯網絡是一種由開關元件按照一定的拓撲構造和控制方式構成的網絡，用來實現計算機系統中結點之間的互相連接。交換函數〔P254圖7.2〕互聯網絡的主要特性參數：網絡規模：網絡中結點的個數。結點度：與結點相連接的邊數〔通道數〕，包括入度和出度。距離：對于網絡中的任意兩個結點，從一個結點出發到另一個結點終止所需要跨越的邊數的最小值。網絡直徑：網絡中任意兩個結點之間距離的最大值。結點之間的線長：兩個結點之間連線的長度，用米、千米等表示。等分寬度：當某一網絡被切成相等的兩半時，沿切口的邊數〔通道數〕的最小值稱為通道等分寬度，用b表示。對稱性：從任何結點看到的拓撲構造都是一樣的網絡稱為對稱網絡。線性陣列端結點的度：1其余結點的度：2直徑：N－1等分寬度b=1環和帶弦環對稱結點的度：2雙向環的直徑：N/2單向環的直徑：N靜態網絡有：線性陣列、環、度為3的帶弦環、度為4的帶弦環。循環移數網絡和全網絡動態網絡有：總線網絡、多級互聯網絡和穿插開關網絡等分布式處理機分為：分布式共享存儲器和對稱式共享存儲器共享存儲器通信主要優點〔簡答題〕與常用的對稱式多處理機使用的通信機制兼容。易于編程，同時在簡化編譯器設計方面也占有優勢。當通信數據量較小時，通信開銷較低，帶寬利用較好。通過硬件控制的Cache減少了遠程通信的頻度，減少了通信延遲以及對共享數據的訪問沖突。消息傳遞通信機制的主要優點：硬件較簡單；通信是顯式的，因此更容易搞清楚何時發生通信以及通信開銷是多少，以便編程者和編譯程序設法減少通信開銷。透明性：在計算機技術中，對本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明性。系列機在一個廠家內生產的具有一樣的體系構造，但具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器。CPU性能公式：CPU時間=執行程序所需的時鐘周期數×時鐘周期時間=IC×CPI×時鐘周期時間其中，時鐘周期時間是系統時鐘頻率的倒數。每條指令執行的平均時鐘周期數CPICPI=執行程序所需的時鐘周期數／ICIC：所執行的指令條數程序的局部性原理〔構成存儲層次的理論依據〕包括程序的時間局部性，程序的空間局部性馮·諾依曼構造的主要特點以運算器為中心。在存儲器中，指令和數據同等對待。存儲器是按地址訪問、按順序線性編址的一維構造，每個單元的位數是固定的。指令的執行是順序的。指令由操作碼和地址碼組成。指令和數據均以二進制編碼表示，采用二進制運算。實現可移植性的常用方法采用系列機，模擬與仿真，統一高級語言。軟件兼容方式：向前〔后〕兼容,向上〔下〕兼容四種。向后兼容一定要保證，他是系列機的基本特征〔填空〕模擬：用軟件的方法在一臺現有的機器〔稱為宿主機〕上實現另一臺機器〔稱為虛擬機〕的指令集。仿真：用一臺現有機器〔宿主機〕上的微程序去解釋實現另一臺機器〔目標機〕的指令集。并行性：計算機系統在同一時刻或者同一時間間隔內進展多種運算或操作。同時性和并發性〔填空〕從執行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：指令內部并行指令級并行線程級并行任務級或過程級并行作業或程序級并行耦合度分為：〔了解區別〕嚴密耦合系統〔直接耦合系統〕：在這種系統中，計算機之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關互連，可以共享主存。松散耦合系統〔間接耦合系統〕：一般是通過通道或通信線路實現計算機之間的互連，可以共享外存設備〔磁盤、磁帶等〕。機器之間的相互作用是在文件或數據集一級上進展的。數據表示：計算機硬件能夠直接識別、指令集可以直接調用的數據類型。數據構造：由軟件進展處理和實現的各種數據類型。MIPS的存放器：32個64位通用存放器〔GPRs〕也被稱為整數存放器，R0的值永遠是032個64位浮點數存放器〔FPRs〕MIPS的數據尋址方式立即數尋址與偏移量尋址DLX的數據尋址方式存放器尋址，存放器間接尋址，立即數尋址與偏移量尋址流水線技術把一個重復的過程分解為假設干個子過程，每個子過程由專門的功能部件來實現。把多個處理過程在時間上錯開，依次通過各功能段，這樣，每個子過程就可以與其他的子過程并行進展。流水技術的特點流水線把一個處理過程分解為假設干個子過程〔段〕，每個子過程由一個專門的功能部件來實現。流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞、斷流。時間長的段將成為流水線的瓶頸。流水線每一個功能部件的后面都要有一個緩沖存放器〔鎖存器〕，稱為流水存放器。流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發揮流水線的效率。流水線需要有通過時間和排空時間。從不同的角度和觀點，把流水線分成多種不同的種類。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：流水線的各段可以進展不同的連接，以實現不同的功能按照同一時間內各段之間的連接方式對多功能流水線做進一步的分類靜態流水線：在同一時間內，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作動態流水線：在同一時間內，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執行多種功能。按照流水的級別來進展分類部件級流水線〔運算操作流水線〕：把處理機的算術邏輯運算部件處理機級流水線〔指令流水線〕：把指令的解釋執行過程按照流水方式處理。處理機間流水線〔宏流水線〕：它是由兩個或者兩個以上的處理機串行連接起來，對同一數據流進展處理，每個處理機完成整個任務中的一局部。按照流水線中是否有反響回路來進展分類線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反響回路。非線性流水線：流水線中除了有串行的連接外，還有反響回路。根據任務流入和流出的順序是否一樣來進展分類順序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全一樣。亂序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成〔從輸出端流出〕。流水線的性能指標p61吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量。解決流水線瓶頸問題的常用方法細分瓶頸段重復設置瓶頸段相關有3種類型〔填空〕數據相關〔也稱真數據相關〕名相關〔有讀后寫，寫后寫兩種相關〕控制相關流水線沖突有3種類型：〔填空〕構造沖突，數據沖突，控制沖突3.12有一指令流水線如下所示求連續輸入10條指令，該流水線的實際吞吐率和效率；該流水線的“瓶頸〞在哪一段請采取兩種不同的措施消除此“瓶頸〞。對于你所給出的兩種新的流水線，連續輸入10條指令時，其實際吞吐率和效率各是多少解：〔1〕〔2〕瓶頸在3、4段。變成八級流水線〔細分〕12123-13-24-14-24-34-4重復設置靜態調度技術依靠編譯器對代碼進展靜態調度，以減少相關和沖突。它不是在程序執行的過程中、而是在編譯期間進展代碼調度和優化。靜態調度通過把相關的指令拉開距離來減少可能產生的停頓。動態調度方法在流水線中出現相關時，通過硬件重新安排指令的執行順序，來調整相關指令實際執行時的關系，減少處理器空轉。記分牌算法和Tomasulo算法是兩種比較典型的動態調度算法。動態分支預測技術:是根據本條指令之前的行為判斷本次行為前瞻執行〔speculation〕的基本思想：對分支指令的結果進展猜測，并假設這個猜測總是對的，然后按這個猜測結果繼續取、流出和執行后續的指令。只是執行指令的結果不是寫回到存放器或存儲器，而是放到一個稱為ROB〔ReOrderBuffer〕的緩沖器中。等到相應的指令得到“確認〞〔commit〕〔即確實是應該執行的〕之后，才將結果寫入存放器或存儲器。通過保存棧。關鍵思想：允許指令亂序執行，但必須順序確認多指令流出技術基本風格：超標量；超長指令字；超流水處理機循環展開和指令調度時要注意以下幾個方面保證正確性。注意有效性。使用不同的存放器。刪除多余的測試指令和分支指令，并對循環完畢代碼和新的循環體代碼進展相應的修正注意對存儲器數據的相關性分析注意新的相關性存儲層次的性能參數P155每位價格C命中率H和失效率F平均訪問時間TA映像規則：直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個位置。〔空間利用率最低，沖突概率最高，實現最簡單〕全相聯：主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置。〔空間利用率最高，沖突概率最低，實現最復雜，命中時間最長〕是組相連的特例，所以的都是一組組相聯：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。組相聯是直接映象和全相聯的一種折中替換算法P163改進Cache的性能平均訪存時間＝命中時間＋失效率×失效開銷可以從三個方面改進Cache的性能：〔與p201結合〕降低失效率減少失效開銷減少Cache命中時間子塊放置技術：把cache塊進一步劃分為更小的塊〔子塊〕，并給每個子塊賦予一位有效位，用于指明該子塊中的數據是否有效。請求字從下一級存儲器調入Cache的塊中，只有一個字是立即需要的。這個字稱為請求字。請求字優先：調塊時，從請求字所在的位置讀起。這樣，第一個讀出的字便是請求字。將之立即發送給CPU。映象規則：全相聯〔填空〕替換算法：LRU寫策略：寫回法反映外設可靠性能的參數有：可靠性〔Reliabili