计算机系统结构知识点

第一章

1、翻译和解释的区别和联系?

区别：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。

2、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。

3、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。

4、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结构、保护方式和机构。

5、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。

6、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。 7、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：并行设计，缩短周期。

8、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。

9、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。

10、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。

11、除了分布处理MPP和机群系统外，并行处理计算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。

12、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。

13、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。

14、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：总线或数据开关互联，实现数据、任务、作业级并行。

15、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。

16、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，机器差异大时仿真困难。

17、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。

18、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。

19、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

第二章

1、数据结构和机器的数据表示之间的关系?引入数据表示的基本原则?

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：1、是否提高效率减少时间，2、通用性和利用率。

2、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。

3、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：1、堆栈操作指令少;2、速度低;3、通常只用于保存返回地址。

堆栈型支持有力：1、硬件堆栈;2、堆栈指令丰富;3、支持高级语言编译;4、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、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。

4、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。

5、“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。

6、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。

7、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、操作系统三个方面考虑。

面向目标程序可采用的办法：1、对高频指令增强功能加快速度，低频指令合并和取消;2、复合指令代替子程序或宏。

8、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。

9、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。

10、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，对前者有利，对后者不利。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、设计RISC机器的一般原则及可采用的基本技术?

原则：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。

16、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。

17、比较四种浮点数尾数下溢处理方法

截断法：将超出机器字长的部分截去，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。

舍入法：设一附加位，整数最大误差0.5，分数最大误差2^(-m-1)，统计平均误差略>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2^k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。

第三章

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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设备的流量最大的那个。

7、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。

8、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，可靠性高。

缺点：对总线可用线及电路敏感，不灵活，速度慢。

9、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。

10、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：线数多，复杂。

11、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。

第四章

1、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。

2、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3

3)由段表始址和段号找到装入位等相应表项

4)装入位为1转5，否则产生缺页中断

5)主存地址+段内偏移=物理地址 章数 要点 可能出的题目 阿姆达尔定律及应用，外特性，内特性的概念及之间的 关于阿姆达尔定律的计算题，内外特性之间关区别联系。计算机系统的分类方法（flynn等），软件 应系的填空题，按流分类的种类（填空），内外特一章 用需求 器件发展对计算机结构产生的影响，计算机系性概念的延伸（选择），各种因素对计算机系统统设计的定量原理。 结构发展的影响（选择或填空），给出一个计算机让您按“并行级”或“流水线”进行命名。 计算机性能的主要指标，CPU性能 如CPI，MIPS，MFLOPS，Tcpu及各种平均值Tcpu,MIPS,MFLOPS 评估性能的基准测试程序，性能的计算题。三种平均值的应用范围（选择或填空），二章 评价结果的统计和比较，计算机价格和成本。 基准测试程序的种类（填空），MIPS与MFLOPS之间的换算关系（填空），成本与价格之间的换算关系（填空）。 数据类型的分类与种类，各种数据类型的区别，数据表 示 数据类型和数据结构的关系，二进制的定点浮点数三章 表示方法，向量数据表示，自定义数据的表示方法 IEEE单精度数与十进制之间的相互转换(计算），向量的表示方法（画图兼填空），求有序向量（画图），若干概念填空如基本数据类型有哪些？标志符与描述符之间区别。

指令系统集结构的分类及比较、寻址方式、霍夫曼树编各种术语解释、 码方法、CISC和RISC风格的比较（各自特征见表4.4）指令系统设计所要确定几个方面（填空）、 RISC采用的特殊方法。两类RISC机指令系统及其典设计时要注意什么（填空或选择）、 型代表系统结构。 INTEL8086处理器是什么类型的指令集结构（选择）、 三种指令集系统的比较（选择） 通用寄存器指令系统的进一步分类（填空或选择） 四章 逻辑地址和物理地地址（解释） 大端排序小端排序（解释） 各种寻址方式及实例 （选择或填空） 典型的基本指令一般由哪两部分组成（填空） 霍夫曼编码（计算填空） CISC与RISC 特征及比较（各种题型） RISC技术所采用的四种特殊方法。（选择或解释） 两类RISC机指令系统的典型代表的系统结构。 （各种题型） 先行控制技术、标量流水的分类、时空图、流水线的主各种术语解释、 要性能及其分析、三种相关概念及产生原因和解决办影响控制流发生改变的情况（选择填空） 法、非线性流水线的调度、流水的集中式动态调度和分静态多功能流水线时空图及计算、 布式动态调度、BTB的工作原理、超标量机、超流水标量流水的分类（选择或填空）、 机、VLIW机的结构、特点及比较 流水线的Tp吞吐率包括最大吞吐率和实际吞吐率及加速比和效率的计算。 五章 三种相关的产生及解决办法（可以有各种形式的题）、 非线性流水的功能调度（画图，计算） 先进的流水调度方法即流水的集中式调度和分布式调度的工作原理（能对照图或画图加以说明）、 BTB的工作原理 超标量机、超长指令字机的特点（选择） 全局压缩的三种方法（选择或填空） 向量流水处理的特点及其也标量处理的比较、向量机的各种术语解释、向量流水机的工作方式（选择或两种工作方式、向量处理的三种加工方式、并行和链接填空）、 技术应用计算、条件执行语句和稀疏阵的两种方法、向向量处理三种加工方法的特点及比较（各种题型） 六章 量归约操作、与向量长度有关的评价流水机性能的三个运用并行和链接条件计算指令组的执行时间。（分参数 析计算题 ） 循环分裂方法（填空） 求三个参数的计算题。 向量流水线工作的时空图。 层次化存储系统组成及必须解决的三个问题 七章 Cache基本工作原理和结构 Cache性能分析 各种术语解释、Cache的组成，块表（填空） 三种映象方式及变换（填空或解释也可能应用）用于替换策略及更新主存策略。 虚拟存储器的三种不同管理方式 三种替换算法的实例分析（画图） 页式虚拟存储器的快速地地址变换技术 虚存的几种保两种更新策略（解释，填空） 护技术 Cache可分为三种（填空） Cache性能分析（各类计算） 存储器的主要性能指标 提高主存性能的方法（高位交叉与低位比较 填空） 设计虚拟存储系统需考虑的指标是什么（填空） 虚存与Cache的管理方法区别（简答） I/O控制器的三种管理方式及比较；I/O设备特别是磁外设与计算机的连接方式（填空或选择）； I/O盘各种参数及RAID的概念；总线的分类、各种控制方控制器的三种管理方式的比较（简答） 输入输出式和裁决算法及其比较（包括图）；各种总线标准的特设备根据其用途可分为哪两大类（填空） RAID征；三种中断的含义；通道处理机的三种类型及比较；的概念及其5个级的特点（简答） 总线的各种分I/O处理机。 八章 类（填空及选择）；总线的控制方式可分为哪两种（填空或选择）总线的定时信号有几种方式；总线裁决方式及算法（各种题型）；总线的数据传输操作类型（简答）；各种总线标准的特征（选择） 计算机中断分类和优先等级（简答） 三种通道类型的工作模式及适用（各种题型） I/O处理机的功能及处理过程（综合） I/O子系统的性能衡量标准（选择或填空 ） 两种阵列机的结构及不同之处，阵列机的特点，典型并行性的概念，粒度（填空）； 并行性的开发策SIMD计算机ILIIAC-IV；单级和多级计算机互连网络略——三种方法（填空或选择） 阵列机的主要特互连连函数计算；处理机MIMD的特征及分类；解决点（简答） 阵列机的递归折叠算法（计算） 多处理机系统中Cache一致性的三种方法；多处理机间ILLIAC-IV阵列机（各种题型） 设计互；连网络的互连方式；三种并行程序设计语言；多处理机操作系时应考虑的四个特征是什么（简答） 各常用单级九章 统分类；多处理机调度策略 互连网络及其函数的计算作图；多级互连网络（填空） 无冲突访问并行存储器存放规则（计算填空） 多处理机系统中的CACHE一致性采用的方法（填空选择） 多处理机间的互连方式-注意Delta网络（选择或填空） 伯恩斯坦准则的运用 多机调度策略的应用（计算画图） 目前的并行机可分为哪五类（选择或填空） 计算模型分类；数据流计算机和归约机的基本工作原数据驱动的概念，数据流计算机的两大类结构（填十章 理。 空或选择） 有可能要画一个数据流图（但可能性不大） 归约机的概念，串归约机和图归约机（各种题型） 人工智能计算特征（简答）

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