計算機系統(tǒng)結構(張晨曦)簡答題

1、第 1 章計算機系統(tǒng)結構的基本概念1. 什么是計算機系統(tǒng)的多級層次結構？第 6 級L6：應用語言虛擬機第 5 級L5：高級語言虛擬機第 4 級L4：匯編語言虛擬機第 3 級L3：操作系統(tǒng)虛擬機第 2 級L2：機器語言(傳統(tǒng)機器級)第 1 級L1：微程序機器級從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成以下多級層次結構：2. 硬件和軟件在什么意義上是等效的？在什么意義上是不等效的？硬件和軟件在功能實現(xiàn)上是等效的，即一種功能可以由軟件實現(xiàn)，也可以由硬件實現(xiàn)。在實現(xiàn)性能上是不等效的。軟件實現(xiàn)的優(yōu)點是設計容易、改進簡單；硬件實現(xiàn)的優(yōu)點是速度快。3. 經(jīng)典計算機系統(tǒng)結構的實質(zhì)是什么？計算機系統(tǒng)中軟、硬件

2、界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。4. 語言實現(xiàn)的兩種基本技術是什么？翻譯和解釋是語言實現(xiàn)的兩種基本技術。它們都是以執(zhí)行一串級指令來實現(xiàn) N+1 級指令，但二者存在著差別：翻譯技術是先把 N+1 級程序全部變換成 N 級程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的 N 級程序，在執(zhí)行過程中 N+1 級程序不再被訪問。而解釋技術是每當一條 N+1 級指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的N 級指令，然后再去取下一條 N+1 級的指令，依此重復進行。在這個過程中不產(chǎn)生翻譯出來的程序，因此解釋過程是邊變換邊執(zhí)行的過程。5. 對于通用寄存器型機器來說，機器語言程序設計者所看到的計算機的屬性

3、主要有哪些？(1) 數(shù)據(jù)表示(2) 尋址規(guī)則(3) 寄存器定義(4) 指令集(5) 中斷系統(tǒng)(6) 機器工作狀態(tài)的定義和切換(7) 存儲系統(tǒng)(8) 信息保護(9) I/O 結構6. 什么是軟件兼容？軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？同一個軟件可以不加修改地運行于系統(tǒng)結構相同的各檔機器上，而且它們所獲得的結果一樣，差別只在于運行時間的不同。軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。其中向后兼容是軟件兼容的根本特征。7. 什么是系列機？它的出現(xiàn)較好地解決了什么矛盾？系列機是指在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結構，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。它的出現(xiàn)較好地解決

4、了軟件要求環(huán)境穩(wěn)定和硬件、器件技術迅速發(fā)展之間的矛盾。8. 對計算機發(fā)展非常關鍵的實現(xiàn)技術有哪些？（1） 邏輯電路（2） 半導體 DRAM(動態(tài)隨機訪問存儲器)（3） 磁盤（4） 網(wǎng)絡9. 實現(xiàn)軟件移植的主要途徑有哪些？(1) 采用系列機方法(2) 采用模擬與仿真方法(3) 采用統(tǒng)一的高級語言10. 試以系列機為例，說明計算機系統(tǒng)結構、計算機組成和計算機實現(xiàn)三者之間的關系。計算機組成是計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。一種系統(tǒng)結構可以有多種組成；一種組成可以有多種實現(xiàn)。同一系列機中各種型號的機器具有相同的系統(tǒng)結構，但采用不同的組成和實現(xiàn)技術，因而具有不同的性能和價格。

5、11. 存儲程序計算機在系統(tǒng)結構上的主要特點是什么？（1）以運算器為中心。（2）采用存儲程序原理。程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中，并且沒有對兩者加以區(qū)分。（3）存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間。（4）控制流由指令流產(chǎn)生。（5）指令由操作碼和地址碼組成。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數(shù)和操作結果的地址。（6）數(shù)據(jù)以二進制編碼表示，采用二進制運算。12. 從系統(tǒng)結構的發(fā)展情況看，新型系統(tǒng)結構的設計主要從哪兩方面著手？新型系統(tǒng)結構的設計主要從以下兩方面著手：一方面是合理地增加計算機系統(tǒng)中硬件的功能比例，使系統(tǒng)結構對操作系統(tǒng)、高級語言甚至應用軟件提供更多更好的支持；另一方面則是通過多種途徑

6、提高計算機系統(tǒng)結構中的并行性等級，使得凡是能并行計算和處理的問題都能并行計算和處理，使這種系統(tǒng)結構和組成對算法提供更多、更好的支持。13. 軟件技術兩個最重要的發(fā)展趨勢是什么？(1) 程序及數(shù)據(jù)所使用存儲器容量的不斷增大。(2) 高級語言的使用越來越廣泛，在很多應用領域取代了匯編語言。14. 計算機系統(tǒng)設計人員的技術挑戰(zhàn)主要來自哪幾個方面？計算機系統(tǒng)設計人員的技術挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)結構、設計工具、制造工藝、軟件、應用和經(jīng)濟等多個方面。15. 一種計算機系統(tǒng)結構的生命周期是怎樣的？計算機的生命周期和系統(tǒng)中各個部分的發(fā)展密切相關。一種新的系統(tǒng)結構的誕生，往往以硬件為標志，它的發(fā)展和成熟，是以配套的系

7、統(tǒng)軟件和應用為標志的。一個計算機系統(tǒng)結構，從產(chǎn)生到消亡，大致需要 1520 年的時間。16. 用戶 CPU 時間由哪三個因素決定？用戶 CPU 時間 = CPI IC / 時鐘頻率其中，CPI：指令時鐘數(shù)IC：程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)。17. 什么是測試程序組件？在評價計算機系統(tǒng)設計時最常見的測試程序組件是哪個？選擇一組各個方面有代表性的測試程序，組成一個通用測試程序集合。這種測試程序集合稱為測試程序組件。在評價計算機系統(tǒng)設計時最常見的測試程序組件是基于 UNIX 的 SPEC，其主要版本包括 SPEC89、SPEC92、SPEC95 和 SPEC2000 等。18. SPEC2000 測

8、試程序組件中包括哪幾個測試程序組件？（1）SPEC CPU2000：測試 CPU；（2）SPECviewperf：用于測試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL 庫的性能；（3）SPECapc：測試圖形密集型應用的性能；（4）SPECSFS：基于 NFS 文件系統(tǒng)的文件服務器測試程序；（5）SPECWeb：Web 服務器測試程序。19. 測試基于 Microsoft 公司的 Windows 系列操作系統(tǒng)平臺的最常用測試組件有哪些？（1）PCMark04 包括中央處理器測試組、內(nèi)存測試組、圖形芯片測試組、硬盤測試組等。（2）Business Winstone 2004 主要用于測試計算機系統(tǒng)商業(yè)應用的綜合性

9、能。（3）Multimedia Content Creation Winstone 2004 主要用于測試計算機系統(tǒng)多媒體應用的綜合性能。（4）SiSoft Sandra Pro 2004：一套功能強大的系統(tǒng)分析評比工具，擁有超過 30 種以上的分析與測試模組，主要包括 CPU、存儲器、I/O 接口、I/O 設備、主板等。20. 常用的專門的性能指標測試程序有哪些？3DMark03 主要測試顯卡性能和 DirectX 的性能。Prime95 是用來估計分布式計算程序的通信情況，可使計算機高負荷運轉，所以也用來測試計算機的穩(wěn)定性。SuperPi/SuperE 是計算圓周率 /自然指數(shù) e 的軟件

10、，通常用來測試 CPU 的穩(wěn)定性。21. 計算機系統(tǒng)結構設計和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？（1）大概率事件優(yōu)先原則：對于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(yōu)先的處理權和資源使用權，以獲得全局的最優(yōu)結果。（2）Amdahl 定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。22. 根據(jù) Amdahl 定律，系統(tǒng)加速比由哪兩個因素決定？系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素：（1）可改進比例：可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例。（2）部件加速比：可改進部分改進以后的性能提高。23. 從執(zhí)

11、行程序的角度看，并行性等級從低到高可分為哪幾級？從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。（2）指令級并行（Instruction Level Parallelism，ILP）：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。（3）線程級并行（Thread Level Parallelis m，TLP）：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。（4）任務級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段），以子程序或進程為調(diào)度單元。（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。24. 從處理數(shù)據(jù)的角度，

12、并行性等級從低到高可以分為哪幾級？從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可以分為：（1）字串位串：同時只對一個字的一位進行處理。（2）字串位并：同時對一個字的全部位進行處理。（3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱位片）進行處理。（4）全并行：同時對許多字的全部或部分位進行處理。25.Flynn 分類法把計算機系統(tǒng)的結構分為哪 4 類？（1） 單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD，Single Instruction stream Single Data stream）。（2） 單指令流多數(shù)據(jù)流（SIM D，Single Instruction stream M ultiple Data stream）。

13、（3） 多指令流單數(shù)據(jù)流（M ISD，M ultiple Instruction stream Single Data stream）。（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（M IM D，Multiple Instruction stream M ultiple Data stream）。26.常見的計算機系統(tǒng)結構分類法有哪兩種？分類的依據(jù)是什么？Flynn 分類法：按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類。馮氏分類法：用系統(tǒng)的最大并行度對計算機進行分類。27. 計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術途徑有哪三種？（1）時間重疊。多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度

14、。（2）資源重復。通過重復設置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。（3）資源共享。這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。28. 多機系統(tǒng)的耦合度可以分為哪幾類？（1）最低耦合：除通過某種中間存儲介質(zhì)之外，各計算機之間沒有物理連接，也無共享的聯(lián)機硬件資源。（2）松散耦合：通過通道或通信線路實現(xiàn)計算機間互連，共享某些外圍設備，機間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級進行。（3）緊密耦合：機間物理連接的頻帶較高，往往通過總線或高速開關實現(xiàn)互連，可以共享主存。29. 單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)中，都是按哪三種技術途徑分別發(fā)展為哪三類多處理機？單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)中，都是按時

15、間重疊、資源重復和資源共享三種技術途徑，分別發(fā)展為同構型多處理機、異構型多處理機、分布處理系統(tǒng)。30. 三種類型的多處理機（同構型多處理機、異構型多處理機、分布處理系統(tǒng)）的主要區(qū)別是什么？項目同構型多處理機異構型多處理機分布處理系統(tǒng)目的提高系統(tǒng)性能提高系統(tǒng)使用效率兼顧效率與性能（可靠性、速度）技術資源重復時間重疊資源共享途徑（機向互連）（功能專用化）（網(wǎng)絡化）組成同類型不同類型不限制（同等功能）（不同功能）分工方式任務分布功能分布硬件、軟件、數(shù)據(jù)等各種資源分布工作方式一個作業(yè)由多機一個作業(yè)由多機一個作業(yè)由一臺處理機完協(xié)同并行地完成協(xié)同串行地完成成，必要時才請求它機協(xié)作控制形式常采用浮動控制方式

16、采用專用控制方式分布控制方式耦合度緊密耦合緊密、松散耦合松散、緊密耦合對互連網(wǎng)絡的要求快速性、靈活性、可重構性專用性快速、靈活、簡單、通用第 2 章 計算機指令集結構設計1 . 通?？砂茨?5 個因素對計算機指令集結構進行分類？(1) 在 CPU 中操作數(shù)的存儲方法。(2) 指令中顯式表示的操作數(shù)個數(shù)。(3) 操作數(shù)的尋址方式。(4) 指令集所提供的操作類型。(5) 操作數(shù)的類型和大小。2. 在對計算機指令集結構進行分類的 5 個因素中，哪一種是各種指令集結構之間最主要的區(qū)別？CPU 中操作數(shù)的存儲方法，即在 CPU 中用來存儲操作數(shù)的存儲單元的類型，是各種指令集結構之間最主要的區(qū)別。3. 根

17、據(jù) CPU 內(nèi)部存儲單元類型，可將指令集結構分為哪幾類？堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構、通用寄存器型指令集結構。4. 堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構和通用寄存器型指令集結構分別有什么優(yōu)缺點？指令集結構類型優(yōu)點缺點堆棧型是一種表示計算的簡單模不能隨機訪問堆棧，從而很難生成有效代碼。同時，由于型；指令短小堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實現(xiàn)累加器型減少了機器的內(nèi)部狀態(tài)；指由于累加器是唯一的暫存器，這種機器的存儲器通信開銷令短小最大寄存器型易于生成高效的目標代碼所有操作數(shù)均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長5. 現(xiàn)代大多數(shù)機器均采用通用寄存器型指令集結構，為什么？主要有兩個方面的原因，一是

18、寄存器和 CPU 內(nèi)部其他存儲單元一樣，要比存儲器快；其次是對編譯器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。6. 通用寄存器型指令集結構可細分為哪三類？寄存器寄存器型。寄存器存儲器型。存儲器存儲器型。7. 三種通用寄存器型指令集結構分別有什么優(yōu)缺點？指令集結構類型優(yōu) 點缺 點寄存器寄存器型簡單，指令字長固定，是一種和 ALU 指令中含存儲器操作數(shù)的指令集結構相簡單的代碼生成模型，各種指（0,3）比，指令條數(shù)多，因而其目標代碼量較大令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)相近指令中的操作數(shù)類型不同。在一條指令中同時對寄存器存儲器可以直接對存儲器操作數(shù)進行一個寄存器操作數(shù)和存儲器操作數(shù)進行編碼，將訪問，容易對指令進行編碼，限制指令所能夠表示的寄存器個數(shù)。由于指令的（1,2）且其目標代碼量較小操作數(shù)可以存儲在不同類型的存儲器單元，所以每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也不盡相同存儲器存儲器型是一種最緊密的編碼方式，無指令字長多種多樣。每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也大不一樣，對存儲器的頻繁訪問