计算机体系结构复习资料(汇总版)
计算机体系结构复习资料
第一章计算机体系机构的基本概念1.计算机系统结构包括数据表示、机器工作状态、信息保护，不包括主存速度。
计算机系统结构应该考虑的内容包括主存容量和编址方式，而主存采用MOS还是TTL器件、主存是采用多体交叉还是单体、主存频宽的确定等都不是计算机系统结构应该考虑的内容。
存储器采用单体单字，还是多体交叉并行存取，对系统结构设计是透明的。
又如在系列机内推出新机器，不能更改的是原有指令的寻址方式和操作码，而存储芯片的集成度、系统总线的组成、数据通路宽度是可以更改的。
系列机是指在一个厂家内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。
2. 计算机系统中提高并行性的技术途径有时间重叠、资源重复和资源共享三种。
在高性能单处理机的发展中，它的实现基础是流水线。
3. 软件和硬件在逻辑功能上是等效的，软件的功能可用硬件或固件完成，但性能、实现的难易程度不同。
4. 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。
5. 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现。
6. 计算机系统多级层次结构由高到低，依次是应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言级和微程序机器级。
7. 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。
系统加速比=1 / (1-可改进比例+可改进比例/部件加速比)5 = 1 / (1-可改进比例+可改进比例/ 20)可得可改进比例=84.2%8. 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、如下所示。
（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？多部件改进后的系统加速比=1 / (1-（11.1%+33.3%+38.9%+16.7%）+（11.1%/2+33.3%/1.33+38.9%/3.33+16.7%/4）)=2.169. 将计算机系统中某一功能的处理速度加快20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少。
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要点
第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统的层次结构L6应用语言虚拟机L5高级语言虚拟机L4汇编语言虚拟机L3操作系统虚拟机L2机器语言L1微程序机器级：L1~L3级用解释的方法实现，L4~L6级用翻译的方法实现。
翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
共同点：都是以执行一串L级指令来实现一跳L+1级指令；不同点：翻译技术是先把L+1级程序全部转换成L 级程序后，再去执行新产生的L级程序，在执行过程中L+1级程序不再被访问；而解释技术则是每当一条L+1条指令被译码后，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级的指令，依次重复进行。
一般来说，解释执行比编译后再去执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。
2.计算机系统结构的定义计算机系统结构是程序员看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
计算机设计的3个方面：指令集结构、组成、硬件。
计算机系统结构概念的实质是：确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软解实现的功能，界面之下是硬件实现的功能。
3.计算机组成和计算机实现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，包括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联系。
计算机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。
它着眼于器间技术和微组装技术，其中器件技术在现实技术中起主导作用。
系列机是指由同一厂商生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
4．定量分析技术（计算）Amdahl定律、CPU性能公式（简答）程序的局部性原理：它是指程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对地簇聚。
（局部性包括时间局部性和空间局部性。
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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）。
计算机体系结构必考知识点
计算机体系结构必考知识点一、知识概述《计算机体系结构必考知识点》①基本定义：计算机体系结构呢，简单说就是计算机的各个组成部分，像处理器、内存、输入输出设备等，它们之间是怎么连接的，还有各自的功能怎么协同工作。
就好比一个足球队，每个球员（硬件组件）都有自己的位置（功能），教练（操作系统等软件）怎么安排他们配合踢球（协同工作），这就是大致的概念。
②重要程度：在计算机这个学科里，这可太重要了。
要是不懂体系结构，就好比你盖房子不知道怎么搭框架，那接下来的装修（软件开发之类的）就无从下手。
计算机系统的性能、功能等都和它有很大关系。
③前置知识：得有基本的数字电路知识，像什么是逻辑门之类的。
还有对计算机各个硬件部件有个简单了解，就像你得知道有CPU这个东西，它大致是干啥的。
如果之前学过计算机组成原理那就更好了，就像你是个盖房子的小工，盖了几次小房子（了解简单的硬件组合），再来盖大楼（学习体系结构）就容易些。
④应用价值：实际应用可多了。
比如说设计新的计算机芯片，要考虑体系结构。
像手机厂商想让手机运行得更快，还不那么耗电，那就得优化手机芯片的体系结构。
再比如说云计算中心设计大型服务器集群，也得按照合理的体系结构来，这样才能高效处理海量的数据。
二、知识体系①知识图谱：在计算机学科的大地图里，计算机体系结构是重要的一块。
它连接着计算机硬件底层，向上又影响着操作系统、软件应用的开发。
就好比它是城市里的交通规划（对计算机里的数据等流动起规划作用），其他的建筑物（软件等）得按照这个交通规划来建设。
②关联知识：和计算机组成原理关联紧密，组成原理就像是讲每个部件的详细构造，体系结构就是把这些部件组合起来看。
和操作系统也有很大关系，操作系统的运行依赖于计算机体系结构提供的环境。
就好像演员（操作系统）得在舞台（体系结构）上表演。
③重难点分析：掌握难度在于概念比较抽象，像多级存储体系结构，什么缓存、主存、外存的关系不好理解。
关键点在于要理解各个部件的交互原理。
计算机体系结构期末考试知识点与答案
计算机体系结构期末考试知识点与答案体系结构复习重点.doc1.冯.诺依蔓计算机的特点答：冯·若依曼计算机的主要特点如下：存储程序方式。
指令和数据都是以字的方式存放在同一个存储器中，没有区别，由机器状态来确定从存储器读出的字是指令或数据。
指令串行执行，并由控制器集中加以控制、单元定长的一维线性空间的存储器使用低级机器语言，数据以二进制形式表示。
单处理机结构，以运算器作为中心。
其实，他最大的特点就是简单易操作。
2. T（C）＝<K*K',D*D',W*W'>所描述的三个层次（8页）答：3个层次为控制器、算术逻辑部件、基本逻辑部件3. 计算机系统结构的分类（5页）4. 计算机系统中的数据表示（38页）5. 指令系统设计的原则答：指令系统的设计原则是，应特别注意如何支持编译系统能高效、简易地将源程序翻译成目标代码。
首先是正交性：又称分离原则或互不相干原则。
即指令中各个有不同含义的字段之间，在编码时应互相独立、互不相关。
规整性：对相似的操作数做出相同的规定。
可扩充性：要保留一定余量的操作码空间，为以后的扩展所用。
对称性：为了使编译能更加方便，通常希望操作具有对称性。
6. 流水操作中的相关答：流水操作过程中会出现一下的3个相关：资源或结构相关、数据相关、和控制相关。
资源相关是指当有多条指令进入流水线后在同一机器周期内争用同一功能部件所发生的冲突。
数据相关：这是由于流水线中的各条指令的重叠操作使得原来对操作数的访问顺序发生了变化，从而导致了数据相关的冲突。
控制相关主要是转移指令引起的，比起数据相关来，他会使流水线丧失更多的性能。
7. 向量机中对向量的各种运算可以采用的加工方式（149页）答：向量机中对向量的各种运算可以采用不同的加工方式，但比较有效的加工方式应是尽量避免出现数据相关和尽量减少对向量功能的转换。
一种普通加工方式称为横向加工，它是按向量顺序计算的。
另外一种加工方式称为垂直加工，即它是先纵向加工所有B和C向量中元素对的相加操作。
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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=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
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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。
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，对木来存在的事物或属性，从某一角度来看乂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冇相同的体系结构，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，1WK 它们所获得的结果一样，差别只在于运行的吋间不同。
6.兼容机——不同厂家牛产的、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.计算机实现一一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，由指令计数器指切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T 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.测试程序组件一一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），赋了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——系统改进前少改进后总执行吋间Z 比。
16. Amdahl 定律一一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。
17. 程序的局部性原理一一程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚；这 种簇聚包括指令和数据两部分。
18. CPT ---- 扌旨令时钟数(Cycles per Instruction )。
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。
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计算机体系结构知识点汇总(总20页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统结构的经典定义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：指计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现：计算机组成的物理实现）2.计算机系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
4.编译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法（按系统并行度）进行分类。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流，DS数据流，CS（控制流），CU（控制部件），PU（处理部件），MM，SM（表示存储器）7.计算机设计的定量原理：1.大概率事件优先原理（分配更多资源，达到更高性能）2.Amdahl定理：加速比：(Fe为可改进比例（可改进部分的执行时间/总的执行时间），Se为部件加速比（改进前/改进后）3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：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。
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，
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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。
期末复习1.《计算机系统结构》重点知识总结
《计算机组成原理与结构》重要知识点第一章概论一、基本概念1.冯.诺依曼体制？存储程序方式？冯•诺依曼体制包含三个要点：（1）采用二进制代码表示信息，以便计算机识别；（2）采用存储程序工作方式，才能使计算机自动地对信息进行处理；（3）由存储器、运算器、控制器、输入/输出设备等功能部件组成计算机硬件系统。
存储程序工作方式：事先编制程序，事先存储程序，自动、连续地执行程序。
2.控制流？数据流？控制流：控制计算机工作的信息，即指令或命令。
数据流：计算机加工处理的对象，即数值和非数值数据。
传统的诺依曼机采用控制流（指令流）驱动方式：按指令序列依次读取指令，根据指令所包含的控制信息对数据进行处理，在程序执行过程中，始终由指令流驱动计算机工作。
数据流驱动方式是对传统诺依曼机工作方式的根本改变：只要数据准备好，有关指令就可并行执行，如数据流计算机。
3.模拟信号？数字信号？数字信号有哪两种？模拟信号：在时间上连续变化的电信号，用信号的某些参数模拟信息。
数字信号：在时间上或空间上断续变化的电信号，依靠彼此离散的多位信号的组合表示信息。
数字信号有两种：脉冲信号和电平信号。
脉冲信号：在时间上离散的电信号，利用脉冲的有无表示不同的状态。
电平信号：在空间上离散的电信号，利用信号电平的高低表示不同的状态。
4.总线及其组成？一组能为多个部件分时共享的公共的信息传送线路。
总线由一组传送线与相应控制逻辑构成（包括CPU内设置控制逻辑、总线控制器）。
按照传输的信息类型可分为地址总线、数据总线、控制总线。
5.接口的概念？主机与外设之间的连接逻辑，控制外设的I/O操作。
6.基本字长？一般指参加一次定点运算的操作数的位数。
7.CPU主频？时钟频率？外部频率或基频，也叫系统时钟频率。
CPU主频=外频×倍频系数；CPU主频是指CPU内核的工作频率，即CPU的时钟频率，计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行，每个时钟信号周期完成一步操作，时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢。
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 。
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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。
机器档次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 。