计算机体系结构的基本概念

计算机体系结构的基本概念本文简介：第一章计算机体系结构的基本概念1、20世纪50年代，人们认为在银行里用计算机来完成现金存取业务的想法三荒唐可笑的。2、填空题：计算机的发展始终受到制造技术和计算机体系结构技术的双重影响。3、目前广泛使用的存储程序计算机的完整概念就是在这个时期产生的，人们通常称之为冯.诺依曼计算机结构。3、微处理器出

计算机体系结构的基本概念本文内容：

第一章

计算机体系结构的基本概念

1、20世纪50年代，人们认为在银行里用计算机来完成现金存取业务的想法三荒唐可笑的。

2、填空题：计算机的发展始终受到

制造技术

和

计算机体系结构技术

的双重影响。

3、目前广泛使用的存储程序计算机的完整概念就是在这个时期产生的，人们通常称之为冯.诺依曼计算机结构。

3、微处理器出现以后，计算机系统设计、计算机市场和计算机应用都出现了较大的变化。

首先，计算机用户是最直接的收益者。

第二，对于市场而言，微处理器的大批量生产促成了计算机产品的批量化、标准化、和市场化，这种变化也促进了计算机设计、生产和应用的良性发展。

第三、大量兼容的微处理器、标准化的接口、高度兼容的计算机系统的出现，避免了系统程序和应用程序的重复开发。

4、经典的关于“计算机体系结构”的定义三19***年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描叙为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性”。

5、Amdahi提出的体系结构是指机器语言程序级程序员所看见的计算机属性。

6、经典计算机体系结构概念的实际是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固定的功能来实现。

7、系列机的软件兼容还有向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容之分。

8、现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管为基本单元的平面集成电路。

9、集成电路密度大约每两年翻一番。

10、集成电路制造中的重要技术指标之一是特征尺寸，在现有集成电路制造工艺中，它是指集成电路上一个晶体管的尺寸或者x和y两个维度上的最大制造线宽。

11、用户关心的是响应时间：从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间。

管理员关心的是如何提高流量：在单位时间内所能完成的工作量。

它们的相同点是都认为能够以最短时间完成指定任务的计算机就是最快的；这两者之间的不同点是响应时间通常针对单任务，而流量往往针对多任务。

12、Amdahl定律指出：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。

13、名词解析：程序的局部性原理：程序的局部性原理是指程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，也就是说程序执行时所访问存储器地址分布不是随机的，而是相对的簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。程序的局部性包括程序的时间局部性和程序的空间局部性。程序的时间局部性是指程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空间局部性是指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。

14、程序执行过程中所处理的指令数，记为IC。这样可以获得一个与计算机体系结构有关的的参数，即指令时钟数（Cycles

Per

Instruction,CPI），其计算公式为:

CPI=总时钟周期数/IC

15、所谓并行性（parallelism）是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。只要时间上互相重叠，就存在并行性。严格来讲，把两个或多个事件在同一时刻发生的并行性叫做同时性（simultaneity）；而把两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性叫做并发性（concurrency）。36页

16、计算机系统中的并行性有不同的等级。从执行程度的角度看，并行性等级从低到高可分为：1）指令内部并行；

2）指令级并行性；

3）线程级并行；

4）任务级并行；

5）作业或程序级并行。

从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为：

0）

字串位串；

1）

字串位并；

2）

字并位串；

3）

字并行。

17、计算机系统中提高并行性的措施多种多样，单就其思想而言，都可归纳下列3种途径：

1）时间重叠；

2）资源重复；

3）资源共享。

第二章

计算机指令集结构设计

1、

一般来说，可以从以下5个因素考虑对计算机的指令集结构进行分类：

1）

CPU中操作数的存储方法。

2）

指令中显示表示的操作数个数。

3）

操作数的寻址方式。

4）

指令集所提供的操作类型。

5）操作数的类型和大小。

2、填空题：早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令集结构。但是自1980年以来的大多数机器均采用的是通用寄存器型指令集结构。这主要有两个方面的原因，一是寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快；其次是对编译器而言，可以更容易、有效地分配和使用寄存器。

3、

通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即寄存器-寄存器型（Register-Register,R-R）、寄存器-存储器型（Register-Memory，R-M）和存储器-存储器型（Memory-Memory，M-M）。

4、

常见的3种通用寄存器型指令集结构的优缺点：46页

1）指令集结构类型：寄存器-寄存器型（0,3）

优点：简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。

缺点：和ALU指令中含存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，因而其目标代码量大。

2）指令集结构类型：寄存器-存储器型（1,2）

优点：可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码量较小。

缺点：指令中的操作数的类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。

3）指令集结构类型：存储器-存储器型（3,3）

优点：是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。

缺点：指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题。

注：表中（m,n）表示指令的n个操作数中有m个存储器操作数。

5、

我们把由程序计数器决定的寻址方式，叫做“PC相对寻址”（PC

relative），它主要用来在控制转移指令中指定目标指令的地址。

6、

名词解析：一个方向是强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统称为复杂指令集计算机（CISC）。另一个方向是20世纪80年代发展起来的精简指令集计算机（RISC），其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到简化实现、提高性能的目的，这也是当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。

7、

CISC指令集结构存在着如下缺点：

1)在CISC指令集结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。

2)CISC指令集结构的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。

3)CISC指令集结构的复杂性给VLSI设计带来了很大的负担，不利于单片集成。

4)在CISC指令集结构中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。

5)在CISC指令集结构中，由于各条指令功能的不均衡，不利于采用先进的体系结构技术（如流水线技术）来提高系统的性能。

8、

进行RISC指令集结构的功能设计时，必须遵循如下原则：

1)选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令。

2)每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成。

3)所有指令长度均相同。

4)只有LOAD和STORE操作指令才访问存储器，其他指令操作均在寄存器之间进行。

5)以简单有效的方式支持高级语言。

9、

填空题：当控制指令为无条件改变控制流时，称之为“跳转”；而当控制指令是有条件改变控制流时，称之为“分支”。

10、

填空题：一般来说，操作数的类型主要有整数（定点）、浮点、十进制、字符、字符串、向量、堆栈等。

11、

DLX是一种多元未饱和型指令集结构。

12、

各种机器的指令集结构设计思想都和DLX指令集结构的设计思想十分相似，他们都强调：具有一个简单的LOAD/STORE指令集；注重指令流水效率；简化指令的译码；高效支持编译器。

第三章

流水线技术

1、

流水线可以分为如下几种类型：

1）单功能流水线和多功能流水线；

2）静态流水线和动态流水线；

3）部分级、处理机级及处理机间流水线；

4）标准流水线处理机和向量流水处理机；

5）线性流水线和非线性流水线。

2、吞吐率（throughput

rate）：吞吐率是衡量流水线速度的重要指标。它是指在单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。

3、最大吞吐率TPmax：这是指流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率。80页

4、最大吞吐率取决于流水线中最慢的一段所需的时间。

5、流水线中的相关主要分为以下3种类型：

1）结构相关：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时将产生“结构相关”。

2）数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”。

3）控制相关：当流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令时就会发生“控制相关”。

6、填空题：数据相关的分类：

1）写后读相关；

2）写后写相关；

3）读后写相关；

值得注意的是，在读后读的情况下，不存在数据相关问题。

7、在DLX流水线上执行分支指令时，PC值有两种可能的变化情况。一种是PC值发生改变（为分支转移的目标地址）；一种是PC值保持正常（等于其当前值加4）

8、减少流水线处理分支指令时的暂停时钟周期数有如下两种途径：

1）在流水线中尽早判断出分支转移是否成功。

2）尽早计算出分支转移成功时的PC值（即分支的目标地址）。

第四章

指令级并行

1、填空题：要保证流水线的效率，必须保持流水线长时间处于被充满的状态。通过开发无关指令系列，使他们重叠执行，可以使流水线长时间地充满。

2、填空题：程序中的相关主要有以下3种：数据相关、名相关和控制相关。

第五章

存储层次

1、从用户的角度来看，存储器的3个主要指标是容量、速度和价格（本书中，“价格”均指每位价格）

2、要实现多级存储层次的目标，必须做到：存储器若越靠近CPU，则CPU对它的访问频度越高，而且大多数的访问都能在M1完成。任何一层存储器中的数据一般都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中数据的子集。174页

3、命中率H：命中率为CPU访问存储系统时，在M1中找到所需信息的概率。

4、“Cache-主存”与“主存-铺存”层次的区别：176页

1）存储层次：“Cache-主存”层次

比较项目：

目的：为了弥补主存速度的不足；

存储管理实现：主要由专用硬件实现；

访问速度的比值（第一级比第二级）：几比一；

典型的块（页）大小：几十个字节；

CPU对第二级的访问方式：可直接访问；

失效时CPU是否切换：不切换。

2）存储层次：“主存-铺存”层次

目的：为了弥补主存容量的不足；

存储管理实现：主要由软件实现；

访问速度的比值（第一级比第二级）：几万比一；

典型的块（页）大小：几百到几千个字节；

CPU对第二级的访问方式：均通过第一级；

失效时CPU是否切换：切换到其他进程。

5、映象规则有以下3种：178页

1）全相联映象：全相联是指主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置的方法。

2）直接映象：直接映象是指主存中的每一个只能被放置到Cache中唯一的一个位置。

3）组相联映象：组相联是指主存中的每一个块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置（Cache被分为若干组，每组由若干个块构成）。

6、无论是直接映象还是组相联，查找时只需比较标识，索引无需参加比较。

7、在全相联的情况下，索引的位数为0，块地址全部作为标识。

8、填空题：主要的替换算法有以下3种：1）随机法；2）先进先出法；3）最近最少使用法。

9、解释题：写策略主要有两种：

1）写直达法：也称为存直达法，它是指在执行“写”操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储中相应的块。

2）写回法：也称为拷回法，它只把信息写入Cache中相应的块。该块只有在被替换时，才被写回主存。

10、降低Cache失效率的方法：

1）强制性失效；

2）容量失效；

3）冲突失效。