计算机系统结构复习材料
计算机系统结构 复习资料
Ch1 计算机系统结构 是指多级层次结构中传统机器级的结构,它是软件和硬(固)件的主要交界面,是让编制的机器语言程序,汇编语言源程序以及由高级语言源程序编译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应看到的计算机属性.计算机组成 主要指计算机硬件系统在逻辑上是如何组织.计算机组成主要与计算机操作的并行度,重叠度及部件的共享度等有关,直接影响系统的速度和价格. 计算机组成设计要确定的方面包括:1数据通路宽度; 2专用部件的设置;3各种操作对部件的共享程度;4功能部件的并行度;5控制机构的组成方式;6缓冲和排队技术;7预估预判技术;8可靠性技术等. 计算机实现 指计算机组成的物理实现.它着眼于用什么样的器件技术和微组装技术.它也直接影响到系统的速度和价格.三者的联系 1相同结构的计算机可以因速度不同而采用不同的组成;2相同的组成也可有多种不同的实现;3系统结构的设计不能过多或不合理地限制各种组成,实现技术的采用与发展;4组成与实现可以折衷权衡,它主要取决于器件的来源,厂家的技术特长和性能价格比能否优化.应当在当时的器件技术条件下,使价格在不增或只增很少的情况下去尽可能地提高系统的性能.计算机的透明性 在计算机中,客观存在的事物或属性从某个角度看不到,称这些事物或属性是透明的. 软件可移植性 指软件不用修改或只经少量的修改,就可以由一台机器搬到另一台机器上去运行,使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境.实现软件移植的必要性:1充分利用现有软件;2节省软件开发费用,减少软件开发成本;3新的硬件和器件技术得以尽快应用;4有利于开发全新的软件. 实现软件移植的基本技术有:1 统一高级语言;2 采用系列机;3 模拟和仿真.并行性 1并行性是指问题中具有可同时进行运算或操作的特性.2包括同时性和并发性.两个或多个事件在同一时刻发生属于同时性,而在同一时间间隔内发生则属于并发性.3目的是为了能予以并行处理,以提高解题效率开发并行性的途径 时间重叠:让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,以加快硬件周转使用来赢得速度.例如,流水线处理机.资源重复:通过重复设置硬件资源来提高性能的. 资源共享:利用软件方法让多个用户共享同一套资源,来提高资源利用率和系统性能的.例如,多道程序分时系统,多处理机,分布处理系统,计算机网等. Ch2 三种面向的寻址方式:面向寄存器,面向堆栈和面向主存的寻址方式.逻辑地址与物理地址 逻辑地址:程序员编写程序时所用到的地址,如内存变量,程序标号;物理地址:程序在主存中的实际地址. 操作码的优化目前平均码长最短的编码是哈夫曼编码. H=-∑pi ×l og2pi等长码的信息冗余=(实际编码平均长度-H)/实际编码平均长度CISC 结构的问题 1指令系统庞大复杂,使机器的设计周期延长,成本升高,错误增多,可靠性降低;2指令的操作繁杂,使执行速度降低;3高级语言源程序的优化编译困难,编译的时空开销增大;4指令系统中,约有80％的指令使用频度很低,利用率低,因而系统的性能价格比低.设计RISC 机器的原则和技术 1精简指令的条数;2简化指令的格式,让指令字等长,并让所有指令都在一个机器周期执行完;3扩大机器中通用寄存器的个数,只让存,取两类指令可以访存4其它的指令一律只能对寄存器进行操作;5指令的实现以组合电路硬联实现为主,少量指令可采用微程序解释;6精心设计高质量的编译程序来优化对高级语言程序实现的支持. RISC 的优点 1简化了指令系统的设计,适合于用VLSI 来实现;2提高了机器的运行速度和效率;3降低了设计成本,提高了系统的可靠性;4可以直接高效地支持高级语言的实现,简化了编译程序.RISC 的问题及发展趋势 RISC 的问题和不足是:加重了汇编语言程序设计的负担;目标程序所占的存贮空间量可能加大;对浮点运算和虚拟存贮器等的支持还不够强;对编译程序的设计质量要求较高,难度较大. Ch3 中断:CPU 中止正在执行的程序,转去处理随机提出的请求,处理完,在返回刚才的程序继续执行,这个过程叫中断. 中断系统:响应和处理各种中断的软硬件总体. 中断源:引起中断的各种事件.中断请求:中断源向中断系统发出请求中断的申请. 中断响应:允许CPU 中止正在执行的程序,转去处理引起中断的各种事件.中断处理是通过具体执行中断服务程序来对中断源进行处理的过程.通道的流量设计 通道流量是指通道在“通道数据传送”期间,单位时间里传送的字节数. 极限流量:通道所能达到的最大流量.字节多路:fmax.byte ＝l/(T s+T D)数组多路:fmax.block ＝k /(T s+k TD)=1/(T s/K+T D) 选择:fmax.select ＝n/(T s+nT D)=1/(T s/n+TD) Ch4 段式存贮管理 优点: 1支持了程序的模块化设计和并行编程的要求,缩短了程序的编制时间;2各个程序段的修改相互不会有影响;3便于多道程序共享主存中某些段,不必将它们在物理主存中重复存放; 缺点 1段映象表机构太庞大,其地址字段和段长字段都太长;2查表进行地址变换的速度太慢;3对主存各区域的存贮管理十分麻烦;4存贮器内部的段间零头浪费大,有时难以利用。
计算机系统结构复习
n
2
pi (pi 表示第 i 种操作码在程序中出现的概率)
4
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计算机系统结构复习提纲
© 计 081
固定长编码相对于 Huffman 编码的信息冗余量： R 1 必须知道每种操作码在程序中出现的概率
pi log i
1
n
2
pi
log n
2
扩展编码法
Huffman 操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与 Huffman 编码法相结合形成
存在的问题
以硬件为主固件为辅 固件的主要缺点是： 执行速度低。目前，ROM 的速度低于 SRAM 一条机器指令通常要多条微指令解释执行 固件的主要优点是： 便于实现复杂指令，便于修改指令系统 以硬联逻辑为主来实现指令系统 对于少数复杂的指令，目前的许多处理机也用微程序技术实现。 RISC 对编译器造成的困难主要有： (1)必须精心安排每一个寄存器的用法，以便充分发挥每一个通用寄存器的效率，尽量减少访问主存储器的次数。 (2)做数据和控制相关性分析，要调整指令的执行序列，并与硬件相配合实现指令延迟技术和指令取消技术等。 (3)要设计复杂的子程序库，RISC 的子程序库通常要比 CISC 的子程序库大得多。
2. 数据表示的含义及与数据结构的关系
数据表示的定义： 数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。 例如：定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等 数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等 确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题
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。
02325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ILLIACIV。
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 Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。
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。
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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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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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计算机系统结构复习资料计算机系统结构：计算机系统结构是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
扩容性：扩容性就是可以升级的程度，扩容性越高能升级的空间就越大。
Amdahl定律：对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
软件兼容是指一台计算机上的程序不加修改就可以搬到另一台计算机上正常运行。
内存又叫主存、基本单位是字节存储系统的理论依据是：局部性原理，局部性包括时间局部性和空间局部性什么是流水线技术：把多个处理在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他的子过程并行进行。
P268互连网络：是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方法式构成的网络，用来实现计算机系统中节点之间的相互连接。
顺序流水线：在顺序流水线中，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。
乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端流入的顺序可以不同，允许后进入的流水线的任务先完成。
强制性不命中：当第一次访问一个块时，该块不在cache中，需从下一级存储器中调入cache。
容量不命中：如果程序执行时所需的块不能全部调入cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。
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中，则会出现改组中某个块被别的块替换，然后又被重新访问的情况。
实现可移植性的三种方法：统一高级语言、系用系列机、模拟和仿真并行性有哪两个方面：（填空）同时性和并发性提高并行性的技术途径：（填空）时间重叠、资源重复、资源共享P74流水线冲突（相关）有哪三种：结构冲突、数据冲突、控制冲突P55流水线的分类：根据功能分（填空+选择）。
按照线性和非线性（填空+选择）。
以及乱序和顺序（名词解释）常用的调度方法有三种：从前调度、从目标处调度、从失败处调度P114指令的动态调度：依靠硬件的叫动态调度，依靠编译器的叫静态调度P142多流出处理机有两种基本风格：超标量（superscalar）、超长指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）P191三级存储系统由什么构成：Cache（告诉缓冲存储器）、主存储器、磁盘存储器（辅存）P207三种类型的不命中：（填空+名词解释）强制性不命中、容量不命中、冲突不命中P259通道有三种类型：（填空）字节多路通道、选择通道、数组多路通道P269交换函数和均匀洗牌P275了解静态互连网络P225Cache优化技术总结P18冯诺依曼结构的主要特点：（简答）1)计算机以运算器为中心2)在储存器中，指令和数据同等对待3)储存器是按地址访问、按顺序线程编程的一堆结构，每个单元的位数是固定的4)指令的执行是顺序的5)指令由操作码和地址码组成6)指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算P45设计RISC机器一般应当遵循哪些原则：（简答）1)指令条数少，指令功能简单2)采用简单而统一的指令格式，并减少寻址方式，指令字长都为32位或64位3)指令的执行在单周期内完成4)采用load-store结构5)大多数指令都采用硬连逻辑来实现6)强调优化编译器的使用，为高级语言程序生成优化的代码7)充分利用流水技术来提高性能P54流水线技术有哪些特点：(简答)1)流水线可以把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。
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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。
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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(TimeInterleaving)，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。
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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(TimeInterleaving)，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。
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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(TimeInterleaving)，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。
计算机系统结构复习材料（供参考）
计算机系统结构复习材料（供参考）这边整理的例题，⽼师说不会考原题！请配合PPT 和课本使⽤，认真复习。
如果到时候没有帮上很⼤的忙请不要怪我！⼀、填空题（每空1分，共20分）1．计算机系统多级层次结构含义P1 考6个机器级以及各⾃⽤什么实现。
计算机多级层次结构由⾼到低分别为应⽤语⾔机器级、⾼级语⾔机器级、汇编语⾔机器级、操作系统机器级（前4者均⽤软件实现）、传统机器语⾔机器级（⽤微程序（固件）实现）和微程序机器级（⽤硬件实现）。
2．弗林分类P26 可以写英⽂也可以写中⽂。
1966年，弗林提出按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类。
把计算机系统分成单指令流单数据流SISD 、单指令流多数据流SIMD 、多指令流单数据流MISD 和多指令流多数据流四⼤类MIMD 。
3．计算机系统持续性能评测，⼏种⽅式表达式，以及表达式中变量含义P10。
⼏何性能平均值不考。
（1）算术性能平均值A m①以速率评价： = 1/n(1/T 1+1/T 2+……+1/Tn)②以时间评价:（2）调和性能平均值H m= n/( T 1+T 2+……+Tn)（3）加权算术平均值A m以上的式⼦，T i 和R i 分别是第i 个程序的执⾏时间和执⾏速率，αi 是权值∑∑====n i in i i m T n R n A 11111∑==ni i m T n A 11∑∑====ni i n i i m T n R n H 111∑∑====ni iini i i m T R A 111αα4．规格浮点数，P40表2-1。
这题是这样考的：题⽬会给化出p=？，m=？，r m=？和某种条件，然后求该条件下的值。
（以下那张图考试时不会给出），并要记补充那句。
* 表中特例是指r m为2的整数次幂时，⽤=2m代⼊。
补充：随着r m越⼤，可表⽰数的范围增⼤、个数增多、精度单调下降，右移造成的精度损失降低，运算速度提⾼。
5．尾数下溢处理⽅法，优缺点⽐较P44。
《计算机系统结构》复习提纲
《计算机系统结构》复习提纲第一章复习题1、计算机的多级层次结构2、透明性的概念，会判断那些特征对哪些人是透明的。
3、计算机系统结构、组成、计算实现的定义、含义、包含的内容及三者之间的关系。
4、软硬件取舍的基本原则及计算机系统设计方法。
5、掌握阿姆达尔定律。
6、什么是峰值性能、持续性能？持续性能有哪几种表示方法。
列出它们的计算公式，并比较它们的优缺点。
7、软件、应用、器件对系统结构有哪些促使影响？8、解释软件可移植性、模拟、仿真？注意模拟和仿真的区别。
9、什么是并行性？并行性指的是哪两种？什么是并行处理？并行可分为哪几个等级？10、并行性开发有哪几种方法，它们是如何实现并行性的，简要解释并各举一系统类型的例子。
11、Flynn分类法的依据是什么？共分哪几类？解释其含义。
12、衡量计算机性能用什么方法？13、要求会计算CPI、TCPU、MIPS、MFLOPS。
14、MIPS与MFLOPS、MFLOPS与SPEC分值有何对应关系？15、如何用Gm评价不同机器的性能？第二章复习题1、数据表示的定义2、数据表示、数据结构有什么关系？3、IEEE754有哪几种基本格式？4、IEEE754标准浮点数N有哪些解释？5、要求会计算用IEEE754表示十进制数。
6、要求可将IEEE754转换为十进制数。
7、自定义数据有哪二种表示形式？各自的定义是什么？8、在采用描述符方法取操作数的方法中，可以将描述符按树形联结来描述多维数组。
要会画图表示用描述符描述一个 3 × 4 的二维阵列的情况。
9、浮点数尾数基值大小的选择，要求掌握非负阶、规格化、正尾数的最大最小值及采用尾基为r m的浮点数表示的特性。
10、如何用哈夫曼、扩展哈夫曼对指令操作码进行编码？平均码长如何计算？11、CISC有哪些主要特点？CISC有什么问题？12、RISC有哪些主要特征？13、RISC在CPU内部设置大量寄存器，试叙述RISC机中所采用的窗口重叠寄存器的工作原理，并列举它的主要优缺点。
《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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目录
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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
计算机系统结构复习资料
计算机系统结构复习资料计算机系统结构复习资料11.透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称对它是透明的2.计算机组成：机器级内部数据流和控制流的组成及逻辑设计（时间的排序与控制）3.计算机实现：计算机组成的物理实现（器件的集成度和微组装技术）4.计算机性能如何要看其：硬件，软件，可用性，可靠性等多种指标的综合5.软件移植途径：统一高级语言，系列机，模拟与仿真6.3T性能目标：1TFLOPS计算能力，1TBYTE主存容量，1TBYTE/S的I/O带宽7.为何没有通用的高级语言：人们不愿抛弃惯用的，长期积累且已被证明是正确的语言8.CISC：复杂指令系统计算机RISC：精简指令系统计算机9.程序的动态再定位：程序在实际主存空间中的位置可动态移动的定位技术10.设计指令系统包括：指令功能（操作类型，具体操作），指令格式的确定11.指令：操作码，地址码两部分组成。
12.指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息13.缩短指令字中地址码长度的方法：加基址，加变址，相对寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址14.操作系统中：过热的高频使用的“机构型”功能适合硬化，频度低的或“策略型”功能不适合硬化15.机构型：基本通用稳定且能定义的功能策略型：不稳定的，会不断改变的功能16.中断源：引起中断的各种事件17.输入输出系统包括：输入输出设备，设备控制器与输入输出操作相关的软硬件18.集中式串行链接方式控制线总数3根，定时查询2+log2N根，独立请求2N+1根19.数据宽度：取得总线后传送数据总量数据通路宽度：一个传送周期传送的信息量20.专用总线：只连接一对物理部件的部线非专用总线：被多个部件所分时共享，同一时一个部件可使用总线通讯21.高速缓冲存储器：为弥补主存速度不足，在处理机和主存之间设置一个高速，小容量的Cache，构成Cache—主存存储层次。
22.阵列处理机特点：利用资源重复；同时性，提高速度；灵活；算法联系紧密。
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。
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计算机系统结构习题
题型：选择20分：1分*20题填空20分：2分*10空名词10分：2分*5题，
简答30分：6分*5题应用题20分：10分*2题
第一章
1.计算机系统的多级层次结构从上到下的顺序分别是、、
、、、。
2.以往对计算机系统的设计方法有设计和设计，它们分别适用于设计和
设计。
3.研究计算机系统结构的重点是，其主要目的是。
4.计算机系统的3T性能目标是、、。
5.以软件为主实现的机器为，由硬件或固件实现的是。
6.解决软件可移植的办法有、、和。
7.计算机中的两种信息流是和，计算机系统按流分类可分为、、
和。
8.计算机系统结构主要指。
9.为了提高CPU的利用率，有效的途径是、、、。
10.计算机系统的主要软、硬件交界面特性包括、、、
、。
11．在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( )。
A、提高解题速度
B、减少需要的存贮容量
C、提高系统的灵活性
D、提高系统的性能价格比
12．对计算机系统结构透明的是( )。
A、数据表示
B、是否使用通道型I／O处理机
C、虚拟存贮器
D、VLSI技术（Very large scale integration）
13．对汇编语言程序员透明的是( )。
A、I／O方式中的DMA访问方式
B、浮点数据表示
C、信息保护方式
D、程序性中断
14．系列机软件应做到( )。
A、向前兼容，并向上兼容
B、向后兼容，力争向上兼容
C、向前兼容，并向下兼容
D、向后兼容，力争向下兼容
15．推出系列机的新机器，不能更改的是( )。
A、原有指令的寻址方式和操作码
B、系统总线的组成
C、数据通路宽度
D、存贮芯片的集成度
16．不同系列的机器之间，实现软件移植的途径不包括( )。
A、用统一的高级语言
B、用统一的汇编语言
C、模拟
D、仿真
17．在计算机系统的多级层次结构中，单条指令执行速度最快的一级是（）。
A、L5（应用语言）级
B、L2（操作系统）级
C、L1（机器语言）级
D、L0（微程序）级
18．在计算机系统的多级层次结构中，单条指令功能最强的一级是（）。
A、L5（应用语言）级
B、L2（操作系统）级
C、L1（机器语言）级
D、L0（微程序）级
19．简述计算机系统设计中软硬件取舍3原则。
答：1）在现有器件的条件下，系统要有较高的性能价格比；
2）不要不合理地限制各种组成、实现技术的采用；
3）硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支持。
20．软件和硬件在什么意义上是等效的，在什么意义上是不等效的。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，但是，在性能、价格、实现的难易程度上却是各不相同的，硬件执行速度快，软件灵活性好。
即软件和硬件在物理意义上是不等效的。
参考答案：
1．应用语言级高级语言级汇编语言级操作系统级机器语言级微程序语言级。
2．从上而下从下到上专用机通用机
3．软、硬件交界面计算机系统的性能/价格比
4．1 TFLOPS的计算能力 1 TByte的主存容量 1 TByte／s 的I／O带宽
5．虚拟机实际机器
6．统一高级语言模拟仿真系列机
7．控制流数据流SISD SIMD MI SD MIMD
8．汇编语言程序员
9．任务单一化操作重叠化吞吐匹配化程序多道化
10．指令系统数据表示中断系统存储系统I/O系统
11.C 12.D 13.A 14.B 15.A 16.B 17.D 18.A
第二章
一、概念题
1 自定义数据表示中的两种类型是。
2 向量数据的三要素，并由此可推出和。
3 浮点数的基值rm可对有影响。
4 最常用的数据表示是（）数据表示。
A. 定点
B. 浮点
C. 向量
D. 自定义
5 浮点数的精度主要由（）决定。
A. 基值rm
B. 尾数的位数
C. 补码阶
D. 阶的位数?
6 规格化浮点数的尾数最高一位二进制数（）。
A. 一定为1
B. 一定为0
C. 任意
D. 不一定为1
7 在浮点数的下溢处理中，下溢是。
8 按综合误差从小到大对浮点数下溢处理方法是。
9 哈夫曼编码的核心是。
10 对于RISC机器( )
A. 指令编码不等长
B. 寻址方式多
C. 不能访问存储器
D.运算类指令只使用寄存器
11.浮点数的基值r m与（）无关。
A. 数的表示范围
B. 精度
C. 表示比e
D. 阶的位数
12.寻址有面向、和等寻址方式。
13.逻辑地址是指，程序在主存中的实际地址称为主存地址。
14.基址寻址是对地址空间到地址空间变换的支持，以利于实现程序的。
15.设浮点数尾数为16位原码表示，初值=2FFFH，附加位=1，采用ROM查表法使用尾数低8位和附加位进行下溢尾
数处理的结果为H。
16.尾数下溢处理中，实现最简单的是( )。
A．截断法B．舍入法
C．恒置“1”法D．查表舍入法
17.尾数下溢处理中，平均误差可调节到零的是( )。
A．截断法B．舍入法
C．恒置“1”法D．查表舍入法
18.尾数下溢处理中，硬件量最大最复杂的是( )。
A．截断法B．舍入法
C．恒置“1”法D．查表舍入法
19.支持动态地址再定位的寻址方式是( )。
A．基址寻址B．间接寻址
C．变址寻址D．直接寻址
20.变址寻址的主要作用是( )。
A．支持程序的动态再定位B．支持访存地址的越界检查
C．支持向量、数组的运算寻址D．支持操作系统中的进程调度
参考答案：
1．标志符描述符
2．基地址向量长度位移量起始地址有效向量长度
3．数的个数数的范围精度稀密度
4．A 5. B 6. D。