计算机系统结构(共14页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上02325计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路1.3.1软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性1.4.1统一高级语言1.4.2采用系列机1.4.3模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类1.6.1并行性概念

2、1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统2.1数据表示2.1.1数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择2.2寻址方式2.2.1寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址2.3指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化2.3.2指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统2.5.1 RISC的提出2.5.2设计RIS

3、C的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统3.1输入输出系统的基本概念3.2总线设计3.2.1总线的类型3.2.2总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数3.3中断系统3.3.1中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机3.4.1工作原理3.4.2通道流量的分析第4章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数4.2虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式4.2.2

4、页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲(Cache)存储器4.3.1基本结构4.3.2地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现4.3.4Cache存储器的透明性及性能分析第5章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠5.1.2相关处理5.2流水方式5.2.1基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机5.3.1向量的流水处理5.3.2向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机5.4.2超长指令字(VLIW)处理机5.4.3超流水线处理机第6章阵

5、列处理机6.1阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法6.2.1ILLIAC的处理单元阵列结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3SIMD计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数6.3.2基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例6.5.1MPP位平面阵列处理机6.5.2CM连接机第7章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式7.3程序并行性7.3.1并行算法7.3.2程序并行性的分析7.3.3并行程序设

6、计语言7.4多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析7.5多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统第8章其它计算机结构8.1脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统8.3数据流机8.3.1数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题8.4归约机8.5智能机8.5.1智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言翻译和解释的区别和联系？区

7、别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？可以调整软、硬件比例；可以用真正的实处理机代替虚拟机器；可以在1台宿主机上仿真另一台。计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点？硬件优点：速度快，节省存储时间；缺点：成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。软件优点：成本低，提高灵活性、适用性；缺点：速度慢，增加存储时间、软件设计费。就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些？数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO

8、结构、保护方式和机构。试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题？由上往下：先考虑应用要求，再逐级往下考虑怎样实现。适用于专业机由下往上：根据已有器件，逐级往上。六七十年代通用机设计思路。以上方法存在的问题是软、硬件脱节。采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。定义：是指为所有程序员使用的完全通用的高级语言。适用场合：软件移植方便。存在问题：目前语言的语法、语义结构不同；人们的看法不同；同一语言在不同机器上不通用；程序员的习惯应采取的策略：可一定范围内统一汇编语言，结构相同机器间搞系列机。由中间开始的设计思路及优点既考虑应用也考虑现有器件，由软硬件分界面向两端设计。优点：并行设

9、计，缩短周期。模拟和仿真的区别模拟：机器语言解释，在主存中；仿真：微程序解释，在控制存储器中。采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略定义：根据软硬件界面的系列结构，设计软件和不同档次的系列机器。适用场合：同一系列内软件兼容好处：呼应“中间开始”设计思路；缓解软件要求稳定环境和硬件发展迅速的矛盾。存在问题：软件兼容有时会阻碍系统结构的变革。策略：坚持这一方法，但到一定时候要发展新系列，还可采用模拟仿真。为什么要进行软件移植？软件的相对成本越来越高，应重新分配软、硬件功能。但：成熟软件不能放弃；已有软件修改困难；重新设计软件经济上不划算。除了分布处理MPP和机群系统外，并行处理计算

10、机按其基本结构特征可分为哪几种不同结构？例举它们要解决的问题。流水线处理机：多个部件时间上并行执行。拥塞控制，冲突防止，流水线调度。阵列处理机：空间上并行。处理单元灵活，规律的互连模式和互连网络设计，数据在存储器中的分布算法。多处理机：时间和空间上的异步并行。多CPU间互连，进程间的同步和通讯，多CPU间调度。数据流计算机：数据以数据令牌在指令间传递。硬件组织和结构，高效数据流语言。采用模拟与仿真方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略。模拟定义：用机器语言解释另一指令系统适用场合：运行时间短，使用次数少，时间上无限制。好处：可在不同系统间移植。存在问题：结构差异大时，运行速度下降，实时性

11、差。策略：与仿真结合仿真定义：用微程序解释令一指令系统适用场合：结构差别不大的系统好处：运行速度快存在问题：结构差别大时，很难仿真。策略：与模拟结合，发展异种机连网。多计算机系统和多处理机系统的区别都属于多机系统，区别：多处理机是多台处理机组成的单机系统，多计算机是多*立的计算机。多处理机中各处理机逻辑上受统一的OS控制，多计算机的OS逻辑上独立。多处理机间以单一数据、向量、数组、文件交互作用，多计算机经通道或通信线路以数据流形式进行。多处理机作业、任务、指令、数据各级并行，多计算机多个作业并行。各种耦合度特征最低：无物理连接，如脱机系统。松散：通信线路互连，适于分布处理紧密：总线或数据开关互

12、联，实现数据、任务、作业级并行。以实例说明计算机系统结构、组成、实现的相互关系与影响。结构相同，可用不同的组成。如系列机中不同型号的机器结构相同，但高档机往往采用重叠流水等技术。组成相同，实现可不同。如主存可用双极型，也可用MOS型等。结构不同组成不同，组成的进步会促进结构的进步，如微程序控制。结构的设计应结合应用和可能采用的组成。组成上面决定于结构，下面受限于实现。组成与实现的权衡取决于性价比等；结构、组成、实现的内容不同时期会不同。软件移植的途径，各受什么限制？统一高级语言：只能相对统一系列机：只能在结构相同或相近的机器间移植模拟：机器语言差别大时，速度慢仿真：灵活性和效率差，机器差异大时

13、仿真困难。并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例位串字串：无并行性，如位串行计算机。位并字串：一个字的所有位并行，如简单并行的单处理机。位片串字并：多个字的同一位并行，如相连处理机。全并行：同时处理多个字的多个位，如全并行阵列机。设计乘法指令时，结构、组成、实现各考虑什么？结构：是否设计乘法组成：是否配置高速乘法器实现：考虑器件集成度类型数量及微组装技术。器件的发展对逻辑设计方法的影响一是由逻辑化简转为采用组成技术规模生产，规模集成，并尽量采用通用器件二是由全硬设计转为微汇编、微高级语言、CAD等软硬结合和自动设计第2章数据表示与指令系统数据结构和机器的数据表示之间的关系？引入数据表示

14、的基本原则？数据结构要变换成数据表示来实现，不同的数据表示效率和方便性不同。它们是软硬件的交界面。原则：是否提高效率减少时间，通用性和利用率。简述三种面向的寻址方式的关系。面向寄存器：速度快，增加硬件；面向主存：速度稍慢，减少寄存器占用；面向堆栈：速度慢，减轻编译负担。三者各有特点，但可共同使用，不互相排斥。堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别？堆栈型机器对程序调用的哪些操作提供支持？通用寄存器型对堆栈数据结构实现的支持较差：堆栈操作指令少；速度低；通常只用于保存返回地址。堆栈型支持有力：硬件堆栈；堆栈指令丰富；支持高级语言编译；支持子程序嵌套和递归。可将以下信息全部压入栈：返回地址、条件码

15、、关键寄存器内容、必要的全局或局部参数。为子程序开辟局部变量中间结果工作区。比较寻址方式在指令中的两种指明方式。操作码中的某位。缺点：不灵活。优点：指令总长短。设寻址方式字段。缺点：指令总长长。优点：寻址灵活。“机构型”和“策略型”的含义？机构型功能指基本的通用的功能；策略型功能指不稳定的可能会改变的功能。数据描述符和向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？描述方法比变址方法简便，但不能解决向量数组高速运算问题；向量处理机能快速形成元素地址，能把元素成块预取到CPU，用一条指令同时对整个向量数组高速处理。按CISC方向改进指令系统的思路具体办法？思路可从面向目标程序、高级语言、操作系

16、统三个方面考虑。面向目标程序可采用的办法：对高频指令增强功能加快速度，低频指令合并和取消；复合指令代替子程序或宏。haffman方法及优缺点？构造方法：构造haffman树、每个节点用01表示、从根开始01编码优点：平均码长最短，冗余少。缺点：种类多，不易译码。haffman压缩概念的基本思想？概率高的事件用短位数表示，低的用长位数表示。以浮点数数据表示说明数的可表示精度、运算中的精度损失，尾数基值取小对哪个有利哪个不利？数的可表示精度是数轴上数的离散程度，两个数间差越小，精度越高；运算中的精度损失指运算中尾数超长造成的损失。尾数基值取小则可表示范围变小，个数减少，分布变密，精度提高，速度降低

17、，对前者有利，对后者不利。OS中哪些适合硬化或固化？哪些不适合？高频使用的机构型功能适合，策略型功能不适合。什么是程序的动态再定位？程序在主存中的实际位置可以动态移动的定位技术。可以使用基址寄存器或映象表硬件。缩短地址码长度的方法基址、变址、相对寻址、分段、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。变址和基址各适用于何种场合？设计一种只用6位地址码就可以指向一大地址空间中任意64个地址之一的寻址机构。变址适合标量计算机中，基址主要对逻辑与物理空间进行变换，支持动态再定位。用6位地址码表示64个地址中的任意一个，可以用隐含寻址或PC自相对寻址形成物理地址。设计RISC机器的一般原则及可采用的基本技术？原则：

18、精简指令条数、格式，让指令等长，一个周期内完成，增加通用寄存器，一般指令不可访存只能对寄存器操作，硬件实现为主，少量微程序解释，提高编译程序质量。技术：按以上原则优化、实现指令，设置寄存器，指令采用重叠流水方式解释，采用延迟转移，提高便宜程序质量。比较CISC和RISC，今后的发展是什么？CISC问题：系统庞大导致成本高可靠性低，80%指令利用率低，性价比低。RISC优点：简化指令系统，适合VLSI实现，解决了CISC的上述问题。缺点：加重汇编语言负担，目标程序开销大，对浮点运算虚拟存储支持不强，对编译程序要求高。发展趋势：二者互相结合，取长补短。比较四种浮点数尾数下溢处理方法截断法：将超出机

19、器字长的部分截去，整数最大误差1，分数最大误差2（-m），统计平均误差0，不能调节统计平均误差，实现简单增硬件少最大误差小，但速度慢需处理时间平均误差无法调节。恒置1法：最低位恒置1，整数最大误差1，分数最大误差2（-m），），统计平均误差略0，不能调节统计平均误差，实现最简单不增硬件不需处理时间，但最大误差平均误差大且无法调节。查表舍入法：用2k个字的ROM或PLA存放下溢处理表，根据查表内容处理下溢。整数、分数、统计平均误差均趋于0，能调节统计平均误差，处理速度快但需增加硬件。第3章总线、中断与输入输出系统以IBM370为例说明为什么把中断分类以及分成几类。大型多用途机器中断源多，每个中断

20、源单独形成入口将导致硬件实现难，代价大，因此可归类，每类给中断服务程序入口由软件转入相应处理部分。IBM370中断分为6类：机器校验，访管，程序性，外部，I/O，重新启动。专用和非专用线各自的优缺点专用线：只连接一对物理部件的总线。优点：不用争总线，控制简单，系统可靠。缺点：总线数多且长，成本高，利用率低，不易扩展。非专用线：可被多种功能与部件共享，但同一时刻只能被一个部件使用。优点：集成度高，造价低，可扩展能力强，总线利用率高，易标准化。缺点：流量小，争用总线，部件效率低，可能成为瓶颈，可靠性差。减少总线线数的方法线的组合：减少按功能和传递方向所需的线数。编码：对少数几根功能线进行编码取代多

21、根单功能线。并/串-串/并：在总线两端设置转换器，经分拆移位后在目的端形成完整的字。比较几种数据宽度单字：适合低速设备，不用指明传送信息单位，缺点是速度慢总线利用率低；定长块：高速设备，充分利用总线宽度不用指明传送信息单位，但不灵活；可变长块：优先级速度都高的设备，灵活需充分利用总线带宽，但需指定传送信号块大小。单字加定长块：优先级高速度低的设备，短数据可用单字传送减少带宽浪费，信息块太小时成为单字方式总线利用率低。单字加可变长块：普遍使用，灵活有效，但复杂开销大。有通道情况下的I/O过程a目态程序中可安排I/O广义指令b运行到广义指令后，产生访管中断cCPU响应中断后进入管态d管理程序根据广

22、义指令编写通道程序，进入通道选择设备期e选择通道和子通道，取出指令，选择控制器和设备，发启动命令，结束通道选择设备期f进入通道数据传送期，完成数据传送g向CPU发I/O请求，第二次转管态，调出相应管理程序，之后CPU返回目态。比较通道的三种类型字节多路：单字节，适于大量低速设备，字节交叉，多次选择设备，分时共享，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各设备的流量之和。数组多路：定长块，适于大量高速设备，成组交叉，多次选择设备，分时共享，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各设备的流量最大的那个。选择：不定长块，高优先级高速设备，独占通道，一次选择设备，独占，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各

23、设备的流量最大的那个。为什么中断优先级从高到低一般为：机器校验、程序性和管理程序调用、外部、I/O、重新启动？机器校验若不及时处理，系统将无法正常工作。程序中断若低于外部和I/O中断可能导致混乱。只有处理完机器故障后，才能进入访管中断。重新启动一般时间并不紧迫，所以放在最后。集中式串行链接的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。a经公共总线向总线控制器申请b总线不忙时，总线控制器响应请求，送出总线可用。c总线可用信号在部件间串行通过，直至某个部件发生总线请求。d该部件获得总线使用权e数据传送，维持总线忙f传送完成，去除总线忙g总线请求再次建立时，重复新的分配过程。优点：简单，线数少，可扩充性好

24、，可靠性高。缺点：对总线可用线及电路敏感，不灵活，速度慢。集中式定时查询的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。a每个部件发总线请求b总线不忙时，定时查询谁发的请求c查询到后，查询停止，该部件获得总线使用权d数据传送，维持总线忙e传送完成，去除总线忙f总线请求再次建立时，重复新的分配过程。优点：灵活，可靠性高缺点：线数多，扩展性差，控制复杂，总线分配受限计数信号。集中式独立请求的优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。a每个部件有总线请求和总线准许b总线未分配时，总线分配器根据某种算法仲裁哪个申请部件使用总线。c数据传送d传送完毕后除去总线已分配和总线准许。优点：速度快，灵活，方便隔离失效部件缺点：线

25、数多，复杂。在现代计算机系统中，中断系统的软硬件功能是怎样分配的，为什么这样分配？中断响应要求快，一般用硬件实现。中断的处理过程一般用软件，也可用硬件支持。中断响应过程中现场的保存和恢复用硬件实现，以保证响应速度。另一部分现场用软件实现，提高灵活性。第4章存储体系在分体交叉存储器中为什么实际频宽不随M增大而线性增大？M大-数据总线长-负载重-增加门级数-增加延迟；顺序取指效率可提高M倍，但出现转移效率就会下降。段式存储管理的地址转换过程。程序号、段号、段内偏移量1）由程序号找到相应的段表基址寄存器，查到段表始址和段表长度。2）检查是否越界，正常转33）由段表始址和段号找到装入位等相应表项4）装

26、入位为1转5，否则产生缺页中断5）主存地址+段内偏移=物理地址段页式存储管理的地址转换过程用户标志、段号、页号、页内偏移1）用户标志-段基址寄存器2）检查是否越界3）找到段表中表项4）检查装入位，段长5）找到页表中表项6）检查装入位7）实页号+页内偏移=有效地址段式存储管理优缺点优点：并行编程，缩短时间；相对独立，易于维护；实现虚拟存储；便于共享和分段保护。缺点：主存利用率低；降低了访寸速度；空闲区管理复杂；查表速度慢。分页方式的优缺点优点：表项短，减少访表时间；零头少；速度快。缺点：强制分页，不利于存储保护和扩充；有效地址生成慢。段页式管理的优缺点优点：具有段式、页式优点缺点：有效地址形成慢

27、。为什么要发展存储体系单一工艺的存储器件不能同时满足容量、速度和价格的要求；并行主存系统效果有限。所以必须使用由多种不同工艺存储器组成的存储系统，从系统结构上公斤，发展存储体系。页面失效频率算法的思想某个程序的页面失效率过高时就增加它的主存页数，过少时就减少它的主存页数，以提高总的主存利用率。主存页面表实现的变形LRU的过程最近最久未使用算法1）建立主存页面表2）用使用位表示是否被访问过，置初值为03）访问实页，则其使用位置14）调入页进入占用位为0的实页，将占用位置15）所有占用位为1，发生缺页时，替换使用位为0的页6）使用位要全1时，强制全置0。页式管理中的主存页面表和页表是一张表吗？页表

28、是一个程序一张；主存页面表是整个主存一张。比较写回法写直达法写回法：信息只写入CACHE，仅需要替换时才送回主存。节省开销，但增加CACHE复杂性。写直达法：写入CACHE时也写入主存。开销小，简单，但浪费时间。CPU-Cache-主存层次，CPU-主存-辅存层次异同。相同点：都需要地址映象表和地址变换机构。不同点：1）前者为缩小CPU主存速度差，后者为扩大主存容量；2）前者硬件后者软影结合实现地址变换；3）前者用页表后者用目录表实现实现地址映象表；4）前者CPU与辅存之间无通路，后者缺页时CPU采用换道办法。散列法实现快表的地址变换过程1）A=H（Nv）2）查找Nv时，经同样函数变成A，再找

29、到Nv内容。3）地址变换时先查快表再查慢表有Cache时，给出一个主存地址访存过程1）将主存与Cache分成大小相同的块。2）判断要访问的主存地址块号是否在Cache中。3）若在，变换为Cache号，访问Cache。4）若不在，将该信息由主存调入Cache和CPU。5）若Cache已满，则替换Cache信息，修改相应表格。比较Cache-主存层次的几种地址变换方式全相联映象和变换。过程：主存分为块号和块内地址；块号同目录表比较；相同则Cache块号和块内地址形成Cache地址；不同则缺块，调块。目录表长：Cache；宽：主存块号+Cache块号。优点：块冲突低，空间利用率最高；缺点：映象表长，

30、查表速度慢。直接映象及变换。过程：区号块号块内地址；主存地址中截取Cache地址；根据块号读出目录表中区号与主存地址区号比较；相等则命中否则访主存。目录表长：Cache；宽：主存地址位-Cache地址位。目录表小，成本低速度快，但冲突概率大Cache利用率低。组相映象及变换。区号组号块号内地址；用组号选组；对该组区号+块号全相联比较；找不到失败找到则Cache块号组号块内地址形成Cache地址。目录表长2ncb，Cache表大小（区号+2块号）位（区号+块号）位参与比较。集中全相联和直接映象的优点弥补它们的缺点，但块冲突全相联，Cache利用率直接方式。什么是堆栈型的替换算法满足nn=Lt时，

31、Bt（n）=Bt（n+1）n：分配给程序的实页数Bt（n）：t时刻在实页中的页面集合Lt：t时刻处理过的不同的虚页数主存实际频宽与模数m的关系是什么？原因？指令流与数据流随机时，主存实际频宽与模数m有什么关系？主存实际频宽随模数增大而增大，但增量会减小。这是因为程序会有转移，数据分布有随机性。完全随机时，大致成平方根关系增大。CPU写Cache时，会发生Cache与主存的对应副本内容不一致，如何解决？需增加什么开销？写回法：仅Cache替换时才写回主存。每个Cache块需增加一个修改位的资源开销。写直达法：同时写入Cache和主存，需增加时间开销。二级虚拟储存层次的等效访问时间与主辅存访问时间

32、有什么关系？提高存储层次的访问速度，可采取的措施有哪些？主辅存的访问时间为T1和T2，等效访问时间TA=HT1+（1-H）T2，H为主存命中率。可采取的措施。TA主存访问周期时，可用改进替换算法、增大主存容量等办法来提高H；H很高时，可降低T1；加快地址映象和变换，如采用快慢表，增大快表命中率等。解释页面失效、页面争用，什么时候同时发生，什么时候不同时发生？虚页不在主存中，会发生页面失效。页面调入主存时，其位置被其它虚页占用，会发生页面争用。分配给程序的内存被全部占用后，会同时发生。反之不同时发生。试举例说明什么是“先读后写”，“写-写”，“先写后读”相关？设有指令h，i，j，k，l，m，n依

33、次流入流水线，若i要读数的单元正是k写数的单元，正常顺序是i先读，k再写。但由于异步流动下，k可能先于指令i被解释，从而i读到的是不正确数据（正常数据应该是k写之前的），这种相关称为“先读后写”相关。若i，k向一单元写数据，正常情况下最后单元中应保存k写的数据，但由于异步流动，k可能先于i写数据，使该单元最后结果不正确，这种相关称“写-写”相关。类似可知“先写后读”相关。解决通用寄存器数相关有几种方法？试作简单比较。方法1：推后“分析k+1”读。可将“分析k+1”推到“执行k”结束时，也可以使它们部分重叠，只要“分析k+1”能取得正确操作数即可。缺点：它们是以牺牲速度为代价。优点：不增加设备。

34、方法2：设置“相关专用通路办法”。在运算器输出到输入之间增设“相关专用通路”，保证在“执行k+1”之前输入中已获得正确信息。优点：重叠速度不下降。缺点：增加设备为代价。为实现指令重叠解释可能采取哪些办法？简单分析其特点？方法1：让操作数和指令分别存放在两个独立编址且可同时访问的存储器中。优点：有利于实现指令的保护。缺点：主存总线控制复杂，软件设计麻烦。方法2：指令和操作数混存在多体交叉主存结构中，只要指令和操作数不在一个分体时就在一个主存周期取得。优点：实现上简单，开销少。缺点：当指令和操作数在同一体时无法重叠。方法3：增设FIFO工作的指令缓冲寄存器。当主存空闲时预取下几条指令到指缓。优点：

35、微操作可分成分析指令和执行指令两部分。缺点：数据相关问题。试比较几种指令级高度并行的超级处理机超标量处理机：配置多套功能部件辅助电路，靠编译程序优化指令顺序，使流水吞吐率提高。优点：硬件不调整指令顺序、容易实现、适合矩阵计算。缺点：开销大。超长指令字处理机：编译程序将选择可并行指令放入一条超长指令中，运行时指令中每个操作段控制一功能部件。优点：硬件结构和指令系统简单、无增加硬件开销、指令级并行性高。缺点：指令结构与一般计算机不兼容、指令结构不灵活浪费指令存储空间、不适于一般领域。超流水线处理机：利用时间并发性，利用较短时钟周期提高流水线速度。优点：开销小。缺点：必须有高速时钟机。流水线按级别分

36、成几类？线性流水线与非线性流水线有什么区别？动态流水线和静态流水线有什么区别？流水线按级别分部件级、处理机级和系统级三级。线性流水线段间无反馈或超过的通路，非线性流水线则有反馈回路或前越通路。静态和动态流水都是多功能的流水。其中，动态流水线按一种功能流水未完成之前，可重组开始另一种功能的流水。静态流水线必须等流水线排空之后才可进行功能切换。在“一次重叠”的机器中，会出现哪些相关？如何处理？转移指令与后续指令相关：减少使用转移指令，需要使用时可采用延迟转移技术。指令相关：不允许程序在执行过程中修改指令，需要修改指令时可用类似于IBM370的执行指令，变指令相关为操作数相关，统一按操作相关去处理。

37、主存空间数相关：在存储控制器中，写数申请优先于读数申请被响应变址值二次相关，设置变址值相关专用通路。通用寄存器组的变址值一次相关：设置变址值相关专用通路，并推后后续指令的分析。为处理流水机器的全局性相关，可以加快或提前形成转移指令所需的条件码，那么可从哪两方面考虑？举例说明。一是加快单条指令内部条件码的形成。如有的指令，象乘、除指令只要取出操作数，利用其数的符号位是同号，还是异号，就可以判定结果的正负。而是在一段程序内提前形成条件码，例如，在循环程序中，将控制循环变量改值的指令提前到循环体开始处。在硬件上设置专用的条件码寄存器，以便在判断是否循环时，已提前产生了条件码。解释重叠方式中的“一次重

38、叠”的含义。将指令的解释分为“分析”和“执行”两个阶段，任何时刻都只是“执行k”与“分析k+1”在时间上重叠，也就是让指令分析部件与指令执行部件同时处理相邻的两条指令。什么是流水线的速度瓶颈？消除流水线速度瓶颈的方法有哪两种，举例示意说明。流水线中经过时间最长的功能段就是流水线中的速度瓶颈。清除流水线的速度瓶颈的方法，一是将瓶颈过程再细分。例如，流水线瓶颈段为2t，其它各段均为t，则可将该瓶颈段再细分成两个子段，各子段经过时间均为t；二是将瓶颈子过程多套并联，如上例，将瓶颈重复设置两个，任务错开一个t时间分配给这两个段。流水机器的中断处理有哪两种方法，各有什么优缺点？流水机器的中断处理有不精确

39、断点法和精确断点法两种。不精确断点法好处是控制处理简单，缺点是程序排错不利。精确断点法，中断现场准确对应于发出中断的指令，有利于程序的排错，但不利之处是需要大量后援寄存器。在流水机器中，全局性相关指的是什么？处理全局性相关的方法有哪些？简要说明。全局性相关是转移指令与其后续指令之间的相关。处理方法有：猜测法，猜选其中一个分支继续流入，待条件码形成后再决定是继续执行，还是作废，按另一分支重新流入。提前形成转移所需的条件，包括指令内或程序段内条件码的提前生成。加快短循环程序的处理，判断如属于短循环，将循环体内各指令一次取入指令缓冲器中，停止预取指令；猜选分支恒选循环分支。流水处理的主要技术途径是什

40、么？在CPU中可以有哪两类流水？在存储系统或存储体系中举出两个应用流水的例子。流水处理的主要技术途径是时间重叠和功能部件专用化。CPU内部可以有指令流水线和运算操作流水线。在存储体系中CACHE存储器的查地址映象表和访物理CACHE可以流水。存储器系统中，主存模m多体交叉对各分体的交叉访问也可以看成是一种流水。第6章阵列处理机试分析阵列处理机特点（1）阵列处理机提高速度是利用资源重复，利用并行性中的同时性；（2）处理单元同等地担负起各种运算，其设备利用率可能不那么高；（3）速度提高在硬件价格大幅度下降情况下，潜力巨大；（4）互连网络对系统性能影响显著；（5）互连网络使阵列处理机比固定结构的单功

41、能流水线灵活；（6）阵列处理机结构和所采用并行算法紧密联系；（7）阵列处理机还必须提高标量处理速度。总之，阵列处理机实质上是专门对付数组运算的处理单元阵列组成的处理机、专门从事处理单元阵列控制及标量处理的处理机和专门从事输入输出及操作系统管理的处理机组成的一个异构型多处理机系统。试比较阵列机的两种基本形式（1）分布式存储器阵列机。a、各处理单元PE有局部存储器，被分布数据只能被本处理单元直接访问。b、在控制部件CU内有主存储器。运行时所有指令都在CU中，只把适合并行处理的“向量类”指令播给各PE，并控制各PE并行执行。c、各PE可通过互连网ICN交换数据。d、PE通过CU连到管理处理机SC上，

42、用于管理系统资源。（2）集中式共享存储器阵列机。a、K个存储体集中组成，经互连网络为全部N个处理单元共享。其中K等于数据处理单元数。b、互连网用于处理单元与存储分体之间进行转接构成数据通路。试比较多级互连的几种网络ATRAN拓扑结构：第I级交换单元处于交换方式时，实现Cubei；控制方式：级控制分级控制；交换单元：二功能交换单元。间接二进制N方体拓扑结构：第I级交换单元处于交换方式时，实现Cubei；控制方式：单元控制；交换单元：二功能交换单元。多级混洗omega拓扑结构：每一级有一个全混拓扑和一列四功能交换单元；控制方式：单元控制；交换单元：四功能交换单元。多级PM2I拓扑结构：每级按PM2

43、I连接；控制方式：级控制或单元控制；交换单元：二功能交换单元。全排列Benes拓扑结构：三维立方体多级网络与它的逆网络连在一起，省去中间重复一级；控制方式：单元控制；交换单元：二功能交换单元。试说明间接二进制n方体网络是阻塞式网络N个端要实现任意排列，应有N！种。而单元控制的N=lnN/ln2级间接二进制方体网络中，每级有N/2个开关，N级互连网交换开关总数为（NlnN/ln2）/2.要实现入、出端的一一映射，每个开关只能取直接或交换两种功能。所以开关状态总共有2（NlnN/ln2）/2，即N（N/2）种。当N2时，N（N/2）所以它无法表示所有N！排列，所以当多个入出端同时连接时可能发生冲突

44、，即间接二进制N方体网络是阻塞式网络。试比较互连网动态拓扑结构的两种形式动态单极网络指网络只有有限几个连接，必须经循环多次通过，才能实现任意两个处理单元之间的信息传送。节省设备，但通过时间长，对网络控制要求高。动态多极网络指由多个动态单极网络串联组成的网络。通过时间短，灵活性好，可利用不同单极互连网络组合成有不同特征和连接模式的多级互连网络。缺点是：增加设备和成本。试比较单级互连的几种函数Cube相连的2个处理单元其二进制编号只有一位不同。Cubei，其第i位取反。有logN（以2为底，下同）种函数，任意两点最大距离是logN，最多使用logN次函数可实现任意入出端连接，可逆。PM2IJ号处理

45、单元直接连接的结点是J2i（0ilogN-1）。PM2i（j）=j2i（0ilogN-1，0jN-1.有2logN-1种函数，任意两点最大距离是N/2，最多使用2次函数可实现任意端连接，可逆。混洗每个结点连到另一个二进制结点最低位是其最高位的结点。Shuffer（Pn-1P1P0）=Pn-2P1P0Pn-1.有2种函数，任意两点最大距离是2logN-1，最多使用2logN-1次函数可实现任意入出端的连接，不可逆。单指令流多数据流的并行处理机在系统组成上应包含哪些部分和功能？重复设置大量的处理单元用规整灵活的互连函数互连，组成处理单元阵列；用专门的并行算法对数组、向量中的元素进行并行处理；用一台高性能处理机来进行标量处理和控制互连网络的连接；用一台管理处理机来运行系统程序和输入输出任务。什么是全排列网络？实现全排列网络有哪两种方法？可实现N个入端的所有N！种排列的网络称全排列网络，即N个端所有一到一的传送都不会发生传送路径使用冲突的互连网络。实现全排列网络的出方法有：在多级互连网络的输出端设置锁存器，使输出端的数据再一次通过多级互连网络；将两个多级互连网络，即一个正网络和一个逆网络串接起来，合并掉中间的一级，组成2logN-1级的多级网络。简述紧耦合和松耦