最新计算机体系结构复习资料(汇总版)
计算机体系结构期末复习资料
计算机体系结构期末复习资料第一章1、计算机体系结构：计算机体系结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
(Amdahl提出的系统结构实际上指传统机器语言级程序员所能看到的计算机属性。
)2、透明性：原来是存在的事物或属性，但从某种角度看又仿佛不存在的概念称为透明性（transparency），在一个计算机系统中，低层机器的属性对高层机器的程序员往往是透明的，如传统机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。
3、计算机系统结构、计算机组成、计算机实现之间的关系：计算机系统结构指的是计算机系统的软、硬件的界面，即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。
计算机组成：指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。
计算机的实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。
4、系列机的软件兼容方式：软件兼容有（向上兼容）和（向下兼容）之分，又有（向前兼容）和（向后兼容）之分。
系列机软件必须保证（向后兼容），力争（向上兼容）。
兼容机：不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
系列机：在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
5. 软件兼容：同一个软件能够不加修改第运行于体系结构相同的各档及其，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间不同。
6、并行性的概念：指计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
她是同时性和并发性两种含义。
同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。
计算机体系结构复习资料
填空:①软件兼容的几种方式：向上兼容，向下兼容，向前兼容，向后兼容②提高并行性的几种途径：时间重叠，资源重复，资源共享③输入/输出的几种方式：程序控制，DMA，I/O处理机④流水线分类：⑴按功能分类：单功能流水线与多功能流水线⑵按连接方式分类：静态流水线与动态流水线⑶按流水级别分类：部件级，处理机级，处理机间流水线⑷按反馈回路分类：线性流水线与非线性流水线⑸按流入流出顺序分类：顺序流水线与乱序流水线⑤相关的三种类型：数据相关，名相关，控制相关⑥流水线冲突的3种类型：结构冲突，数据冲突，控制冲突⑦数据冲突的几种情况：写后读冲突，读后写冲突，写后写冲突⑧映像的3种方式：全相联映像，直接映像，组相联映像⑨替换算法的3种方式：随即法，先进先出法，最少使用法⑩Cache的写策略有两种：写直达法，写回法⑪影响Cache的3个因素：失效率，失效时间，命中时间⑫计算机系统结构分为5类：并行向量处理机、对称多处理机、大规模并行处理机、分布共享存储多处理机、机群名词解释：①层次结构：分为6个层次级别。
1、微程序机器级2、机器语言3、操作系统虚拟机4、汇编语言虚拟机5、高级语言虚拟机6、应用语言虚拟机②虚拟机：有软件实现的机器，以区别有硬件实现的物理机器③计算机系统结构：是程序员所看到的计算机属性，既概念性结构与功能特性④透明性：本来从在的事物，但从某种角度看又好像不存在的特性称为透明性⑤Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比⑥CPI：每条指令的平均时钟周期数⑦程序的局部性原理：是指程序执行时所访问的存储地址分布不是随机的，而是相对地簇聚⑧寻址方式：是指一种指令集结构如何确定所要访问的数据地址⑨CISC：复杂指令集计算机，它是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令数量也是越来越多。
⑩RISC：精简指令集计算机,它是尽可能地把指令集简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单⑪吞吐率TP：是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量⑫指令级并行：指令之间存在的潜在并行性⑬指令调度：是一种用以避免冲突的主要方法，但它并不改变相关⑭动态调度：是在程序的执行过程中，依靠专门硬件对代码进行调度⑮响应时间：从用户输入命令开始，到得到结果所花费的时间⑯系统可靠性：系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通过常用平均无故障时间来衡量⑰系统可用性：是指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率⑱系统的可信性：指服务的质量，即在多大程度上可以合理地认为服务是可靠的回答问题①Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类⑴单指令单数据流⑵单指令多数据流⑶多指令单数据流⑷多指令多数据流②从处理数据，并行性从低到高分为：⑴字串位串⑵字串位并⑶字并位串⑷全并行从执行程序，分为：⑴指令内部并行⑵指令集并行⑶线程级并行⑷任务级⑸作业级并行③RISC设计原则⑴指令条数少而简单⑵采用简单而又统一的指令格式⑶指令的执行在单个机器周期内完成⑷采用load-store结构⑸指令采用硬连逻辑来实现⑹强调优化编译器的作用⑺充分利用流水线来提高性能④流水线技术的特点⑴流水线把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并且依靠它们的并行工作来缩短程序的执行时间⑵流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流，因为时间长的段将成为流水线的瓶颈⑶流水线每一个功能部件的后面都有一个缓冲寄存器⑷流水技术适合于大量重复的时序过程⑸流水线需要有通过时间和排空时间⑤解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？⑴细分瓶颈段⑵重复设置瓶颈段⑥"Cache-主存"层次与"主存-辅存"层次的区别"Cache-主存"层次"主存-辅存"层次目的为了弥补主存速度的不足为了弥补主存容量的不足存贮管理的实现全部由专用硬件实现主要由软件实现访问速度的比值几比一几万比一典型的块大小几十个字节几百到几千个字节CPU对第二级的访问方式可直接访问均通过第一级不命中时CPU是否切换不切换切换到其他进程⑦降低Cache失效率有那几种方法？⑴增加Cache块大小⑵提高项链度⑶增加Cache容量⑧80386 CPU的虚拟机存储器的转存机制分段机制中，根据16位的选段符中索引值查找段描述符表，从中得到段基址，加上偏移量就得到了线性地址，取线性地址的高十位查找由CRS确定的基址的页目录表可以得到业表的基址，再根据线性地址的中间十位查找业表得到物理叶号加上页内偏移量得到物理地址⑨机群的特点：⑴系统开发周期短⑵可靠性高⑶可扩缩性强⑷性能价格比高⑸用户编程方便。
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第一章层次结构：微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机、应用语言虚拟机。
翻译与解释：语言实现的两种基本技术。
共同点是以执行一串L级语言指令来实现一条L+1级指令；不同点：翻译技术是把L+1转为L级程序后，再执行新产生的L级程序，执行过程中，L+1级程序不再被访问；而解释技术是每当一条L+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的L级指令，然后再去取下一条L+1的指令，以此重复执行。
计算机体系结构：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现。
透明性：计算机系统结构具有层次结构性，透明性是指某一层次的观察者通过该层次的广义语言了解和使用机器，而不必关心其内层是如何工作和如何实现各自的功能并行性：计算机系统在同一时刻或在同一时间间隔内进行多种运算或操作（同时性并发性）提高并行性的途径：1、时间重叠在并行概念中加入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流、重叠地使用同一套硬件设备的各个部分2、资源重复：在并行性概念中引入空间因粗，以数量取胜。
通过重复设臵硬件资源，大幅度提供计算机系统的性能3、资源共享：一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备同构型多处理机：由多个不同类型，至少负担不同功能的处理机组成，他们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对他们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。
异构性多处理机：由多个同类型或至少担负同类功能的处理机组成，他们同时处理同一作业中能并行执行多个任务。
第二章指令集结构分类：堆栈结构、累加器结构以及通用寄存器结构。
RISC与CISC的区别(包括各自的优缺点)：CISC即复杂指令集计算机，他是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也越来越多。
缺点：1、各种指令的使用频度相差悬殊。
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第一章计算机系统结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
计算机组成：计算机系统的逻辑实现。
计算机实现：计算机系统的物理实现。
4个定量原理1.以经常性事件为重点：对于大概率事件(最常见的事件)，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。
2.系统的加速比：对系统中的某些部件进行改进，改进后的系统性能与改进前的系统性能之比。
3.※Amdahl 定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
4.CPU 性能公式：程序执行的CPU 时间= CPI ⨯ IC / 时钟频率 计算机系统的性能评测 1.执行时间和吞吐率 并行性的概念同时性：两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。
并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。
提高并行性的技术途径时间重叠：多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
资源重复：通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。
资源共享：是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
习题1.91.9 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。
具体数据（1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl 定律SeFeFe S n +-=)1(1可得4类操作均改进后，整个程序的加速比：2.16)1(1≈+-=∑∑iii n S FF S第二章CISC ：复杂指令集计算机。
RISC ：精简指令集计算机。
数据表示是指计算机硬件可以直接识别，指令可以直接调用的数据类型 第三章流水线技术：将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
流水线的分类：（5种）单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。
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=4.88
Fiynn 分类：按照指令流和数据流的多倍性特征进行分类；指令流：机器执行的指令序列；数据流：由指令流调用的数据序列， 包 括输入数据和中间结果；多倍性（Multiplicity）：在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数用系统 的最大并行度对计算机进行分类。 最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横 坐标表示字宽（n 位），纵坐标表示一次能同时处理的字数（m 字）。m×n 就表示了其最大并行度。 八、 Huffman 编码 『Example』 ：假设某模型机有 7 条指令，每条指令使用频度依次为 0.40，0.30，0.15，0.05，0.04，0.03，0.03。（1）计算这 7 条指令 的操作码编码的最短平均码长。（2）画出 Huffman 树，写出这 7 条指令的哈夫曼编码，并计算该编码的平均码长和信息冗余量。 Answer： 指令 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 频度 Pi 0.40 0.30 0.15 0.05 0.04 0.03 0.03 操作码使用哈夫曼编码 0 10 110 1100 11101 11110 11111 操作码长度 Ii 1 2 3 5 5 5 5 利用哈夫曼概念的扩展操作码 00 01 10 1100 1101 1110 1111 操作码长度 Ii 2 2 2 4 4 4 4
『Question 』 ：程序翻译技术和解释技术的区别和联系？ Answer：翻译(Translation)技术是先把 N+1 级程序全部变换成 N 级程序后， 再去执行新产生的 N 级程序，在执行过程中 N+1 级程序不再被访问。解释(Interpretation)技术是每当一条 N+1 级指令被译码后，就直 接去执行一串等效的 N 级指令，然后再去取下一条 N+1 级的指令，依此重复进行。解释执行比翻译执行花的时间多，但存储空间占用 较少。 『Question』 ：汇编语言源程序变换成机器语言目标程序 ？Answer：如（图 4） 『Question』 ：系统结构、组成和实现之间的关系？Answer：如（图 5） 二、 系列机 实现程序移植的主要途径有统一高级语言、系列机、模拟和仿真 『Question』 ：系列机软件兼容必须做到？Answer：向后兼容。 『Question』 ：尽可能争取？Answer：向上兼容 三、 计算机系统设计方法 A. B. C. 从上往下：如（图 4）从上往下 从下往上：如（图 4）从下往上 从中间开始：如（图 4）从第 2 级与第 3 级向上向下
计算机系统结构复习资料汇总
计算机系统结构复习资料汇总第一章计算机系统结构概述1.P1传统机器语言机器M1<具有L1机器语言（机器指令系统），用微指令程序解释机器指令>研究什么，看到了什么？微程序机器（M0）用硬件实现，传统机器语言机器M1用微程序（固件）实现。
2.P2 系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。
每级都有自己的系统结构。
客观存在的事物或属性从某个角度看不到，简称透明。
不同机器级程序员所看到的计算机属性是不同的，它就是计算机系统不同层次的界面。
系统结构就是要研究对于某级，那些属性是透明的，那些属性不应透明。
透明可以简化该级的设计，但因无法控制，也会带来不利影响。
系统结构-》计算机系统结构-》计算机组成3.P8 软、硬件取舍的基本原则第一：考虑在现有硬、器件（主要是逻辑器件和存储器件）条件下，系统要有高的性能价格比；第二：考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用第三：不仅能从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位。
4.P14 软件的可移植性指的是软件不修改或者只经少量修改就可由一台计算机移植到另一台计算机运行，同一软件可以应用于不同的环境。
有以下几个基本技术：统一高级语言采用系列机模拟和仿真5.P24 并行性开发的途径时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
如流水线资源重复是在并行性概念中引入空间音速，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。
如双工系统等。
资源共享是用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高资源利用率，相应的也就提高了系统的性能。
例如多道程序分时系统，可以共享CPU，贮存以降低系统价格。
计算机系统结构复习材料
考试题型一、单项选择题（本题共10小题，每小题2分，共20分）二、名词解释（本题共4小题，每小题3分，共12分）三、判断题（本题共13小题，每小题1分，共13分）四、简答（本题共5小题，每小题5分，共25分）五、应用题（本大题共3小题,每小题10分，共30分）第一章计算机系统结构概论一、系统结构(名词解释)：从计算机系统的层次结构定义，系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。
每级都有其自己的系统结构。
二、透明性(名词解释)：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，简称透明。
不同机器级程序员所看到的计算机属性是不同的，它就是计算机系统不同层次的界面。
三、组成(名词解释)1.计算机组成的定义：计算机组成（又称计算机设计）是指计算机系统的逻辑实现。
包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能以及各部件间的联系。
2.计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比，最佳、最合理的把各种设备和部件组成计算机，以实现所确定的计算机系统结构。
对传统机器程序员来说，计算机组成的设计内容一般是透明的。
3.计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。
(1)数据通路宽度：数据总线上一次并行传送的信息位数。
(2)专用部件的设置：是否设置乘除法、浮点运算、字符处理、地址运算等专用部件，设置的数量与机器要达到的速度、价格及专用部件的使用频度等有关。
(3)各种操作对部件的共享程度：分时共享使用程度高，虽限制了速度，但价格便宜。
设置部件多降低共享程度，因操作并行度提高，可提高速度，但价格也会提高。
(4)功能部件的并行度：是用顺序串行，还是用重叠、流水或分布式控制和处理。
(5)控制机构的组成方式：用硬联还是微程序控制，是单机处理还是多机或功能分布处理。
计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(Time Interleaving)，资源重复(Resource Replication)，资源共享(Resource Sharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
《计算机系统结构》总复习
主存储器
定义：主存储器是计算机系统中的主要存储器用于存储程序和数据。 组成：由多个存储单元组成每个单元存储一个二进制数。 访问方式：通过地址码直接访问存储单元实现数据的读取和写入。 性能指标：主要包括存储容量、存取时间和可靠性等。
高速缓存
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定义：高速缓存是一种用于存储经常访问 数据的硬件设备
功能：输入输出接口的主要功能是传输数据和命令支持各种外部设备的接入和控制。
发展趋势：随着技术的不断发展输入输出接口也在不断演进和改进未来将更加高效、快速和智能化。
输入输出处理机
输入输出处理机是计算机系统中的重要组成部分负责管理计算机的输入输出设备。
输入输出处理机的主要功能是实现输入输出数据的传输和控制支持各种外部设备的操作。
分布式系统概述
定义：分布式系统是由多个相互通信的计算机组成的系统这些计算机在物理上通过网络连接协同完 成共同的任务。
特点：分布式系统具有并行性、可靠性和可扩展性等特点能够提高系统的整体性能和可靠性。
组成：分布式系统由多个节点组成每个节点都有自己的处理器和存储器节点之间通过网络进行通信。
应用：分布式系统广泛应用于各种领域如云计算、大数据处理、物联网等。
计算机系统结构总复习
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存储系统
01
04
计算机系统概述
02
处理器系统
03
输入输出系统
05
并行处理与分布式系 统
06
添加章节标题
计算机系统概述
计算机系统的基本组成
硬件：计算机系 统的物理实体包 括中央处理器、 存储器、输入输
出设备等。
软件：计算机 系统的程序和 数据包括系统 软件和应用软
计算机系统结构 总复习
∑ 而且设置有足够地缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算： AiBi i =1
① 画出时空图；（9 分） ② 计算实际的吞吐率、加速比和效率。（6 分） 15. 静态多功能流水线由 6 个功能段组成，如图 E_3 所示。其中，s1、s4、s5、s6 组
成乘法流水线，s1、s2、s3、s6 组成加法流水线，各个功能段时间均为△t，假设 该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够地缓冲寄存器，若以 最快的方式用该流水计算：∏（Ai＋Bi）（其中 i＝1..4，∏为连乘符号） ① 画出时空图；（9 分） ② 计算实际的吞吐率、加速比和效率。（6 分） 16. （20 分）设指令流水线由取指令、分析指令和执行指令 3 个部件构成，每个部件 经过的时间为△t，连续流入 12 条指令。分别画出标量流水处理机以及 ILP 均为 4 的超标量处理机、超长指令字处理机、超流水处理机的时空图，并分别计算它们 相对于标量流水处理机的加速比。 17. （15 分）给定以下的假设，试计算直接映象 Cache 和两路组相联 Cache 的平均访 问时间以及 CPU 时间。 ① 理想 Cache（命中率为 100%）情况下的 CPI 为 2.0，时钟周期为 2ns，平均每条指 令访存 1.2 次。 ② 两种 Cache 容量均为 64KB，块大小都是 32 字节。 ③ 组相联 Cache 中的多路选择器使 CPU 的时钟周期增加了 10%。 ④ 这两种 Cache 的失效开销都是 80 ns。 ⑤ 命中时间为 1 个时钟周期。 ⑥ 64 KB 直接映象 Cache 的失效率为 1.4%，64 KB 两路组相联 Cache 的失效率为 1.0%。
① 画出处理过程的时空图。（9 分） ② 计算其吞吐率、加速比和效率。（6 分） 12. 有一条动态多功能流水线由 5 段组成（如图 E_2 所示），加法用 1、3、4、5 段，
计算机体系结构期末复习资料
第一章计算机体系结构的基本概念1.层次结构——计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第一级---微程序机器级。
第二级—机器语言。
第三级—操作系统虚拟机。
第四级—汇编语言虚拟机。
第五级—高级语言虚拟机。
第六级—应用语言虚拟机2.体系结构——程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
3.透明性——在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
4.系列机——在一个厂家生产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。
5.软件兼容——同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行的时间不同。
6.兼容机——不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
7.计算机组成——计算机体系结构的逻辑实现。
8.计算机实现——计算机组成的物理实现。
9.存储程序计算机（冯·诺依曼结构）——采用存储程序原理，将程序和数据存放在同一存储器中。
指令在存储器中按其执行顺序存储，由指令计数器指明每条指令所在的单元地址。
10.并行性——在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。
11.响应时间——从事件开始到结束之间的时间，也称执行时间。
12.测试程序——用于测试计算机性能的程序，可分为四类：真实程序、核心程序、小测试程序、合成测试程序。
13.测试程序组件——选择一个各个方面有代表性的测试程序，组成一个通用的测试程序集合。
这个通用的测试程序集合称为测试程序组件。
14.大概率事件优先——此原则是计算机体系结构中最重要和最常用的原则。
对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。
15.系统加速比——系统改进前与改进后总执行时间之比。
16.Amdahl定律——加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中的所占的重要性。
计算机系统结构复习汇总
03
中央处理器
CPU的功能和组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制数据在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法等。
寄存器组
存储操作数、中间结果和指令地址等信息的临时存储单元。
高速缓存
位于CPU和主存之间的快速存储器，用于提高CPU访问数据的速度。
CPU的设计和实现
计算机系统结构复习汇总
• 计算机系统概述 • 指令系统 • 中央处理器 • 存储系统 • 输入输出系统 • 总线与互连
01
计算机系统概述
计算机系统的组成
01
02
03
硬件系统
包括中央处理器、内存储 器、外存储器、输入设备 和输出设备等，是计算机 系统的物质基础。
软件系统
包括系统软件和应用软件， 是计算机系统的灵魂，负 责管理和控制计算机硬件 及应用程序。
I/O软件层次结构
01
用户层软件
提供用户与I/O设备交互的接口， 如命令解释程序、图形用户界面
等。
03
设备驱动程序
直接与硬件交互的软件模块，负 责接收上层软件的请求并控制I/O
设备的操作。
02
设备独立性软件
实现设备无关性，使得应用程序 无需关心具体设备的细节。
04
中断处理程序
响应中断请求并处理中断事件的 程序，通常与设备驱动程序紧密
位于计算机外部，速度较慢，容量最 大，用于长期保存程序和数据。
主存储器的设计和实现
存储器芯片
主存储器由多个存储器芯 片组成，每个芯片包含一 定数量的存储单元和读写 电路。
存储单元
每个存储单元可以存储一 个字节或多个字节的数据 ，由地址线、数据线和控 制线连接CPU和其他设备 。
计算机体系结构复习资料汇总
计算机体系结构选择题1. 多处理机实现的并行主要是（B）A、指令级并行B、任务级并行C、操作级并行D、操作步骤的并行2.计算机系统结构不包括（ B ）。
A、信息保护B、主存速度C、数据表示D、机器工作状态3.信息按整数边界存储的主要优点是（A）。
A、访存速度快B、节约主存单元C、指令字的规整化D、指令的优化4.以下说法不正确的是（ D ）。
A、线性流水线是单功能流水线B、动态流水线是多功能流水线C、静态流水线是多功能流水线D、动态流水线只能是单功能流水线5.对于采用组相联映像、LRU替换算法的cache存储器来说，不影响cache命中率的是（C）A、增加cache中的块数B、增加组的大小C、增大主存容量D、增大块的大小6.与线性流水线最大吞吐率有关的是（C）。
A、各个功能段的执行时间B、最快的那一段的执行时间C、最慢的那一段的执行时间D、最后功能段的执行时间7. 下面对网络直径描述正确的是（A）A、指互连网络中任意两个结点之间距离的最大值B、指互连网络中任意两个结点之间距离的最小值C、指互连网络中多个结点之间距离的最大值D、指互连网络中多个结点之间距离的最小值9.系统的可信性是指（A）A、服务质量B、平均修复时间C、可用性D、正常工作时间10. 评价I/O主要性能的参数主要有（D）A、连接性I/O系统的容量B、I/O系统的容量响应时间C、响应时间吞吐率D、以上都是11.对汇编语言程序员不透明的是（C ）A、程序计数器B、主存地址寄存器C、条件码寄存器D、指令存储器12.利用时间重叠原理实现并处理的是（A）。
A、流水机处理B、多处理机C、阵列处理机D、机群系统13.2-4扩展编码最多可以得到的码点数是（D）。
B、A、6 B、7C、10D、1314.反映存储的可靠性是指系统从某个初始参点开始（A）。
B、初始参点B、执行时间C、结束时间D、中间某点15.Cray-1向量处理机要实现指令间的链接，必须满足以下条件中的（C）。
计算机体系结构复习资料
计算机体系结构复习资料注：本复习资料由【考试特攻队】整理袁学东给的复习范围进⾏编写，背完即可，相关计算题即掌握HUFFMAN、寻址⽅式等。
Chapter 01引⾔1.什么是ISA？指令集体系结构（ISA）：ISA是在机器上运⾏的所有软件和执⾏这些软件的硬件之间的协定接⼝。
2.计算机的硬件和软件等原理有什么重要性？硬件和软件等效原理：任何可以利⽤软件实现的事情可以利⽤硬件来实现。
反之，任何可以利⽤硬件来实现的事件也同样可以利⽤软件来实现。
3.列举计算机的三种基本部件①⽤来解释和执⾏程序的处理器②⽤来存储数据和程序的存储器③与外界进⾏数据传输的机制4.通常⽤来测量计算机时钟频率的单位是什么？时钟频率的度量单位为每秒周数，或称为赫兹。
5.列举两种类型的计算机存储器RAM/ROM（主存/硬盘）6.解释SSI、MSI、LSI、VLSI的区别⼩规模集成电路（SSI）：每块芯⽚上只有10-100个元件；1.2中规模集成电路（MSI）：每块芯⽚上集成100-1000个元件；2.3⼤规模集成电路（LSI）：每块芯⽚上集成的元件多达1000-10000个；3.4超⼤规模集成电路(VLSI)：每块芯⽚上集成的元件超过10000。
57.冯诺伊曼体系结构与它以前的计算机体系结构有什么不同在最早起的电⼦计算机器中，编程就是利⽤各种导线进⾏接插连线，由于没有计算机的分层结构，对早起的计算机进⾏变成⼯程浩⼤。
⽽冯诺伊曼体系结构是有三⼤硬件（CPU,ALU,Main-memory system）构成的存储器体系结构，其⼯作原理是取值-译码-执⾏。
8.取指-译码-执⾏周期的⼯作原理是怎样的？①控制单元从计算机的存储器中提取下⼀条程序指令，并利⽤程序计数器来决定这条执⾏的所在位置②对提取的指令进⾏译码，变成ALU能够理解的⼀种语⾔③从存储器中取出执⾏指令所需的各种操作数的数据，并把它们放⼊CPU的寄存器中④ALU执⾏指令，并将执⾏的结果存放到寄存器或存储器中Chapter 04 MARIE:简单计算机模型1.CPU的主要功能是什么？中央处理器的任务就是提取程序指令，并对指令进⾏译码，然后按程序规定的顺序对正确的数据执⾏各种操作。
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第一章计算机系统结构的基础知识1、计算机体系结构：计算机体系结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
2、透明性：对本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
在一个计算机系统中，低层机器的属性对高层机器的程序员往往是透明的，如传统机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。
3、计算机系统结构、计算机组成、计算机实现之间的关系：计算机系统结构指的是计算机系统的软、硬件的界面，即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。
计算机组成：指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。
计算机的实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。
4、计算机系统的分类：1）Flynn（单/多指令流单/多数据流四种）2）冯氏分类法：最大并行速度。
5、程序的局部性：时间局部性（程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息）空间局部性（程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者邻近）。
6、计算机系统设计原理：由上往下设计、由下往上设计、从中间开始设计。
从中间设计的优点：“中间”指层次结构中的软硬件的交界面，目前一般是在传统机器语言机器级与操作系统机器级之间。
好处：采用这种方法时，首先要进行软硬件功能分配，确定好这个界面。
然后从这个界面开始，软件设计者往上设计操作系统、汇编、编译系统等，硬件设计者往下设计传统机器级、微程序机器级等。
软件和硬件并行设计可以缩短设计周期，设计过程中可以交流协调，是一种交互式的、很好的设计方法。
7、存储程序计算机（冯·诺依曼结构）：采用存储程序原理，将程序和数据存放在同一存储器中。
指令在存储器中按其执行顺序存储，由指令计数器指明每条指令所在的单元地址。
存储程序原理的基本点是指令驱动。
主要特点：·计算机以运算器为中心。
输入/输出设备与存储器之间的数据传送都经过运算器；存储器、输入/输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。
·在存储器中，指令和数据同等对待。
指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成饿程序是可以修改的。
·存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
·指令的执行是顺序的，即一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行。
程序的分支由转移指令实现。
由程序计数器PC指明当前正在执行的指令在存储器中的地址。
·指令由操作码和地址码组成。
操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数地址和存放运算结果的地址。
操作数的类型由操作码决定，操作数本身不能判定是何种数据类型。
·指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。
8、计算机五大部件：控制器、运算器、存储器、输入输出设备。
9、一条指令由那两部分组成：操作码、地址码。
10、软件兼容：同一个软件可以不加修改第运行于体系结构相同的各档及其，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间不同。
11、系列机的软件兼容方式：软件兼容有（向上兼容）和（向下兼容）之分，又有（向前兼容）和（向后兼容）之分。
系列机软件必须保证（向后兼容），力争（向上兼容）。
兼容机：不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
系列机：在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
12、并行性的概念：指计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
他是同时性和并发性两种含义。
同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。
从处理数据的角度并行性从低到高分为：a 、字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。
这是最基本的串行处理方式，不存在并行性 b 、字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。
已开始出现并行性。
c 、字并位串：同时对许多字的同一位进行处理，这种方式具有较高的并行性。
d 、全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理，这是最高一级的并行。
从执行角度来看，并行性从低到高依次分为：a 、指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。
b 、指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。
c 、线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。
d 、任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务，以子程序或进程为调度单元。
e 、作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。
13、提高并行性的技术途径：（1）时间重叠：多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
（2）资源重复：通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。
（3）资源共享：是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
14、多机系统的耦合度分类：（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。
第二章 指令系统的设计1、计算题：Amdahl 定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比（P7页）。
向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。
向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。
向后兼容是系列机的根本特征。
兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机 。
时间机器档次高 低向上兼容 向下兼容向前兼容 向后兼容当前机器2、计算题：哈夫曼树哈弗曼编码方法的计算（1）码长表示法（2）码点表示法1）码长表示法：2—4—6(有三种长度，两位的、四位的、六位的)2）码点表示法：3/6/4（最短的有三条，最长的有四条，中间长度对应为6条）3）2—4最多码点数：13解释：2可以有00、01、10、11四种，但是必须是2-4扩展至少有一个为两位，其他的可以在前面扩展两位，每个可以对应四种例如对于01可以变成：0001、0101、1001、1101，所以总共加起来最多只能是3*4+1=13种4）以下四种编码中：不是2-4扩展的是（D）A:1/2 B:2/8 C:3/4 D:4/8大题：有一台模型机，有以下七种不同的指令，使用频率表示如下：T1: 20% T2: 12% T3:11% T4: 15% T5: 8%T6:3% T7: 2% T8:18% T9: 10% T10: 1%（1）上图为哈夫曼编码图：平均长度为2*20%+3*（10%+11%+12%+15%+18%）+4*8%+5*3%+6*(1%+2%)=3.03可以表示成：00、010、011、100、101、110、1110、11110、111110、111111（2）若用定长操作码表示至少需要多少位？答：至少需要4位（3）用扩展操作码（只有两位）可以有多种方式表示，要求平均长度不能大于 3.2，给出最合理的编码方式，并求出平均编码长度？①采用扩展操作码可以用2—4扩展操作码的码点1/9表示：求得平均长度为：1*（20%）+4（80%）=3.4>3.2不符合②3—4的6/4编码方式：平均长度为3*（10+11+12+15+18+20）%+4*(1+2+3+8)% =3.14<3.2符合条件③4—5编码6/4方式：4*（10+11+12+15+18+20）%+5*(1+2+3+8)%>3.2④2—5编码中的3/7方式：2*（15+18+20）%+5*（1+2+3+8+10+11+12）%=3.41>3.2不符合3、数据表示：硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。
第三章流水线技术1、流水线技术是指：将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
2、从不同的角度和观点，把流水线分成多种不同的种类。
（1）按照流水线所完成的功能来分类单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线:流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。
（2）按照同一时间内各段之间的连接方式对多功能流水线做进一步的分类静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
动态流水线：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
（3）按照流水的级别来进行分类部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。
处理机级流水线（指令流水线）：把解释指令的过程按照流水方式处理。
处理机间流水线（宏流水线）：由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。
（4）按照流水线中是否有反馈回路来进行分类线性流水线：各段串行连接、没有反馈回路的流水线。
非线性流水线：各段除了有串行连接外，还有反馈回路的流水线。
（5）根据任务流入和流出的顺序是否相同来进行分类顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。
每一个任务在流水线的各段中是一个跟着一个顺序流动的。
乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。
又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。
3、流水线指标：吞吐率、加速比、效率A吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。
最大吞吐率是指流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率。
第一种情况：各段时间相等（设为△t0）假设流水线由 m 段组成，完成 n 个任务。
完成 n 个任务所需的时间第二种情况：各段时间不等B加速比是指流水线的速度与等功能非流水线的速度之比。
S＝T非流水／T流水若流水线为 m 段，且各段时间相等，均为△t0 ，则： T非流水＝n m△t0T流水＝m△t0＋(n－1)△t0 (公式自己代入)C (1)若各段时间相等，则各段的效率ei相等，即e1＝e2 ＝e3＝、、、＝em＝n△t0／T流水整个流水线的效率为:E=n△t0/T流水=n/（n+m-1）(2)从时－空图上看，效率实际上就是 n 个任务所占的时空区与 m 个段总的时空区之比，即：n 个任务占用的时空区E ＝━━━━━━━━━━━━━m 个段总的时空区实例分析:性能分析（分析法, 时空图法）.例1. 四段流水线, △t1=△t3=△t4=△t, △t2=3△t,4个任务、10个任务时TP，η、SP 。