系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)資料

1、考試題型一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共26分）二、填空題（每空0.5分，共7分）三、大題（共67分）共5個(gè)，有概念題、分析題、計(jì)算題、設(shè)計(jì)題、綜合題復(fù)習(xí)提綱大題的復(fù)習(xí)范圍：1. 會(huì)利用CPU性能公式比較多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣公式一：CPU時(shí)間= 一個(gè)程序的CPU時(shí)鐘周期數(shù)*時(shí)鐘周期長(zhǎng)度或： CPU時(shí)間= 一個(gè)程序的CPU時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻率公式二：CPU時(shí)間= IC*CPI*時(shí)鐘周期長(zhǎng)度公式三：2. 會(huì)利用Amdahl定律比較多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣Amdahl定律：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。3. Cache的性能分

2、析，會(huì)針對(duì)具體情況分析Cache的性能CPU執(zhí)行時(shí)間：平均存儲(chǔ)器訪問時(shí)間（AMAT）：提高Cache性能：可見主要途徑有： 降低缺失代價(jià) 降低缺失率 通過并行性降低缺失代價(jià)/缺失率 降低Cache命中時(shí)間 4. 導(dǎo)致Cache失效的原因，需進(jìn)一步掌握如何降低這三類失效的方法原因：（1）強(qiáng)制（Compulsory）缺失：對(duì)一個(gè)塊的第一次訪問一定不在Cache中，所以該塊必須被調(diào)入到Cache中（這也稱為：冷啟動(dòng)缺失、首次訪問缺失等）。（2）容量（Capacity）缺失：如果Cache容納不了一個(gè)程序持續(xù)執(zhí)行所需要的所有塊，將會(huì)發(fā)生容量缺失，某些塊將被放棄，隨后再被調(diào)入。（3）沖突（Conflic

3、t）缺失：如果采用組相聯(lián)/直接相聯(lián)，則可能有多個(gè)塊映射到同一塊中，發(fā)生沖突缺失。降低缺失率的技術(shù)：（1）增加Cache塊大小（2）增加Cache容量（3）增加相聯(lián)度（4）路預(yù)測(cè)和偽相聯(lián)Cache（5）編譯優(yōu)化5. 向量鏈接技術(shù)基本思想：對(duì)于有寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)的向量指令，可以采用“相關(guān)專用通道”：從一個(gè)流水線部件得到的結(jié)果直接送入另一個(gè)流水線部件的操作數(shù)寄存器，這樣多條向量指令可以并行執(zhí)行，這種技術(shù)稱為流水線的鏈接技術(shù)。鏈接要求：1.沒有向量寄存器沖突和運(yùn)算部件沖突；2.只有當(dāng)前一條指令的第一個(gè)結(jié)果分量送入結(jié)果向量寄存器的那一個(gè)時(shí)鐘周期方可鏈接，否則只能串行執(zhí)行；3.若一條向量指令的兩個(gè)源操作數(shù)分別

4、是兩條先行指令的結(jié)果時(shí)，要求： 先行的兩條指令產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間必須相等； 先行的兩條指令的向量長(zhǎng)度必須相等。6. 靜態(tài)多功能流水線和動(dòng)態(tài)多功能流水線的調(diào)度動(dòng)態(tài)調(diào)度算法：Tomasulo算法7. Delta互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，根據(jù)方法即可設(shè)計(jì)8. 多級(jí)交叉開關(guān)互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，需掌握其基本原理方可進(jìn)行設(shè)計(jì)9. 循環(huán)中的指令調(diào)度技術(shù)：調(diào)度、循環(huán)展開、軟件流水（重點(diǎn)掌握）第四章205頁(yè)其它題的復(fù)習(xí)范圍：1. 衡量機(jī)器性能的唯一固定而且可靠的標(biāo)準(zhǔn)是什么？真實(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間。2. 并行性的常用實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并結(jié)合本課程的內(nèi)容進(jìn)行舉例（1） 時(shí)間重疊： 指令流水線（2） 資源重疊： N模冗余結(jié)構(gòu) 多處理機(jī) 多值存儲(chǔ)器

5、（3） 資源共享： 多道程序分時(shí)系統(tǒng)3. 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用的定量準(zhǔn)則（1） 加快經(jīng)常性事件的速度（2） CPU性能公式（3） 局部性原理（4） 利用并行性4. 實(shí)現(xiàn)軟件可移植的主要途徑有哪些？（1） 統(tǒng)一高級(jí)語言： 設(shè)計(jì)出一種完全通用的高級(jí)語言，為所有的程序員所使用。（2） 采用系列機(jī)思想：先確定好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)者據(jù)此設(shè)計(jì)軟件，硬件設(shè)計(jì)者則根據(jù)不同的性能要求，采用不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提供不同檔次的機(jī)器。 軟件兼容性：軟件兼容性指的是同一軟件可不加修改地運(yùn) 行于該系列機(jī)器中的各檔機(jī)器上的特性。（3） 模擬與仿真：模擬（simulation simulation）指的是用一臺(tái)機(jī)器（宿

6、主機(jī) 宿主機(jī)）的機(jī)器語言程序解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（虛擬機(jī) 虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)的方法。仿真（emulation emulation）指的是用一臺(tái)機(jī)器（宿主機(jī) 宿主機(jī)）的微程序解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（目標(biāo)機(jī) 目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)的方法。5. Flynn分類法6. 什么是數(shù)據(jù)表示？什么是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？數(shù)據(jù)表示：能由硬件直接識(shí)別和引用（即有相應(yīng)運(yùn)算指令和有硬件支持）的數(shù)據(jù)類型，例如：定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：帶有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素的集合，例如：串、隊(duì)列、棧、向量、陣列、鏈表、樹、圖等。7. 擴(kuò)展編碼的編碼原理思想：是固定長(zhǎng)度操作碼和Huffman編碼法相結(jié)合形成的。即：對(duì)Huffman編碼

7、，根據(jù)使用頻率宏觀分布，將編碼長(zhǎng)度擴(kuò)展成有限幾種長(zhǎng)度的編碼。8. RISC執(zhí)行程序的速度比CISC要快的關(guān)鍵原因是什么？ 減少指令平均執(zhí)行周期。 （1）硬件為主固件為輔 （2）在CPU中設(shè)置數(shù)量較大的寄存器組 （3）指令的執(zhí)行采用流水 （4）采用認(rèn)真設(shè)計(jì)和優(yōu)化編譯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)9. RISC的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適合VLSI實(shí)現(xiàn)。提高執(zhí)行速度和效率。降低設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性?？梢蕴峁┲苯又С指呒?jí)語言的能力，簡(jiǎn)化編譯程序的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)：加重了匯編語言程序員的負(fù)擔(dān)。對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算和虛擬存儲(chǔ)器的支持不夠理想。相對(duì)來說，RISC機(jī)器上的編譯程序要比CISC機(jī)器上的難寫。10. 如何提高Cac

8、he的命中率？采用預(yù)取技術(shù)提高命中率思想：不命中時(shí)，把M2存儲(chǔ)器中相鄰幾個(gè)單元組成的一個(gè)數(shù)據(jù)塊都取出來送入M1存儲(chǔ)器中。11. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)價(jià)格：存儲(chǔ)速度：12. 如何提高存儲(chǔ)器頻寬？地址碼高位交叉多個(gè)存儲(chǔ)器并行，采用并行/交叉訪問等方法提高存儲(chǔ)器的訪問速度（并行存儲(chǔ)器）；設(shè)置各種緩沖存儲(chǔ)器；采用存儲(chǔ)體系，特別是Cache存儲(chǔ)體系。13. 流水線最大吞吐率的計(jì)算吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能流出的任務(wù)數(shù)或能流出的結(jié)果數(shù)。TP=n/Tm n ：任務(wù)數(shù)。Tm：處理完成n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間。 14. 流水線的分類分類一： 單功能流水線 多功能流水線 分類二：靜態(tài)流水線 動(dòng)態(tài)流水線分類三：

9、 線性流水線 非線性流水線分類四：部件級(jí)流水線 處理機(jī)級(jí)流水線 系統(tǒng)級(jí)流水線其 它：標(biāo)量流水線 向量流水線 順序流水線 異步流水線w 15. 常見的數(shù)據(jù)相關(guān)有哪些？通常在哪些流水線上會(huì)出現(xiàn)？“先寫后讀”相關(guān)“先讀后寫”相關(guān)“寫寫”相關(guān) “先寫后讀”相關(guān)在流水線順序執(zhí)行和亂序執(zhí)行時(shí)都可能發(fā)生，“先讀后寫”相關(guān)和“寫寫”相關(guān)只有在流水線亂序執(zhí)行時(shí)才可能發(fā)生，而“讀讀”相關(guān)無需處理。16. 對(duì)分支指令引起的全局相關(guān)通常是如何處理的？條件出來前：提前形成條件碼預(yù)測(cè)條件出來后：停頓17. Tomasulo算法和前瞻執(zhí)行機(jī)制中的換名功能分別是如何實(shí)現(xiàn)的？18. 向量處理機(jī)的常見的相關(guān)和沖突有哪些？相關(guān)：V

10、0V1V2V0V1V2V3V4×V5V3V0×V4(a) 不相關(guān)的指令(b) 寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)V0V1V2V0V1V2V3V4V5V3V1×V4(c) 功能部件沖突(d) 讀讀數(shù)據(jù)相關(guān)提示：采用順序發(fā)射順序完成方式。19. 評(píng)價(jià)向量處理機(jī)性能的參數(shù)有哪些？及其具體用途是什么？向量指令處理時(shí)間Tvp：（1） 一條向量指令的處理時(shí)間：TvpTs + Tvf + (n - 1) Tc 其中： Tvp為一條向量指令的處理時(shí)間； Ts為向量流水線的建立時(shí)間； Tvf為向量流水線的流過時(shí)間； Tc為流水線“瓶頸”段的執(zhí)行時(shí)間； n為向量長(zhǎng)度。 如果每段執(zhí)行時(shí)間都等于一個(gè)時(shí)鐘周期，

11、則有：Tvps + e + (n - 1) 其中： s為向量流水線建立時(shí)間所需的時(shí)鐘周期數(shù)； e為向量流水線流過時(shí)間所需的時(shí)鐘周期數(shù)； n為向量長(zhǎng)度； 為時(shí)鐘周期長(zhǎng)度。（2） 一批向量指令的處理時(shí)間：向量長(zhǎng)度向量寄存器長(zhǎng)度時(shí)： 其中：Tstart為每個(gè)編隊(duì)的向量啟動(dòng)開銷，即流水線建立時(shí)間+流過時(shí)間；Tc為流水線“瓶頸”段的執(zhí)行時(shí)間；n為向量長(zhǎng)度；Tchime為編隊(duì)數(shù)。向量長(zhǎng)度向量寄存器長(zhǎng)度時(shí)：需進(jìn)行分段開采，向量長(zhǎng)度為n的一組向量操作的整個(gè)執(zhí)行時(shí)間為：其中：Tloop為執(zhí)行標(biāo)量代碼的開銷，Tstart為每個(gè)編隊(duì)的向量啟動(dòng)開銷， Tchime為編隊(duì)數(shù)，MVL是向量寄存器的長(zhǎng)度。 Tloop可以看

12、作是一個(gè)常數(shù)，Cray 1機(jī)的 Tloop約等于15。最大性能R：R表示當(dāng)向量長(zhǎng)度為無窮大時(shí)的向量流水線的最大性能。常在評(píng)價(jià)峰值性能時(shí)使用，單位為MFLOPS。可表示為：其中：n為向量長(zhǎng)度；Tn為一組向量操作的整個(gè)執(zhí)行時(shí)間。半性能向量長(zhǎng)度n1/2：為達(dá)到一半R值所需的向量長(zhǎng)度稱為半性能向量長(zhǎng)度n1/2，主要評(píng)價(jià)向量流水線建立時(shí)間對(duì)性能的影響。向量長(zhǎng)度臨界值nv：nv表示向量流水方式的工作速度優(yōu)于標(biāo)量串行方式工作時(shí)所需得向量長(zhǎng)度臨界值。該參數(shù)既衡量建立時(shí)間，也衡量標(biāo)量/向量速度比對(duì)性能的影響。20. 常用的互連函數(shù)恒等置換交換置換方體置換均勻洗牌置換蝶式置換位序顛倒置換移數(shù)置換加減2i置換21.

13、 Omega網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)采用2×2的四功能開關(guān)，對(duì)于N×N網(wǎng)絡(luò)，有n=log2N個(gè)開關(guān)級(jí)，每級(jí)有N/2個(gè)開關(guān)； n個(gè)開關(guān)級(jí)從輸入端到輸出端依次為Kn-1 、 K1 、 K0，n+1個(gè)級(jí)間連接依次為Cn 、 C1、 C0， 其中C0為恒等置換， C1Cn都為均勻洗牌置換；開關(guān)采用單元控制方式。本網(wǎng)絡(luò)也稱為：多級(jí)洗牌置換網(wǎng)絡(luò)或多級(jí)混洗網(wǎng)絡(luò)。Omega網(wǎng)絡(luò)（W網(wǎng)絡(luò)）可看作是多級(jí)立方體網(wǎng)絡(luò)的逆網(wǎng)絡(luò)。 級(jí)控制且開關(guān)為二功能開關(guān) W網(wǎng)絡(luò)是STARAN交換網(wǎng)絡(luò)的逆網(wǎng)絡(luò)。 部分級(jí)控制且開關(guān)為二功能 W網(wǎng)絡(luò)是STARAN移數(shù)網(wǎng)絡(luò)的逆網(wǎng)絡(luò)。 單元控制且開關(guān)為二功能 W網(wǎng)絡(luò)是間接二進(jìn)制n方體

14、網(wǎng)絡(luò)的逆網(wǎng)絡(luò)。22. 多級(jí)立方體互連網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)23. 什么是多處理機(jī)中不會(huì)引起Cache不一致？導(dǎo)致的原因有哪些？Cache一致性是指私有Cache中共享數(shù)據(jù)的副本和共享存儲(chǔ)器中共享數(shù)據(jù)之間的一致性。導(dǎo)致不一致的原因：（1）共享可寫數(shù)據(jù)引起的不一致性（2）進(jìn)程遷移引起的數(shù)據(jù)不一致性（3）I/O傳輸造成的數(shù)據(jù)不一致性前兩種原因的解決方法：監(jiān)聽法目錄法第三種原因的解決方法：禁止法刷新法24. 多處理機(jī)系統(tǒng)的兩種基本結(jié)構(gòu)分別為？集中式 分布式25. 解決多處理機(jī)Cache一致性的方法有哪些？具體用在什么環(huán)境中？26. 多處理機(jī)中實(shí)現(xiàn)同步的常見基本硬件原語有哪些？1.原子交換：將一個(gè)存儲(chǔ)單元的值和一個(gè)寄存器的值進(jìn)行交換。實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵：操作的原子性（交換操作是不可再細(xì)分的）。2. 測(cè)試并置定：先測(cè)試一個(gè)存儲(chǔ)單元的值，如果符合條件則修改其值。3. 讀取并加1：返回存儲(chǔ)器中的值并以原子操作的方式使存儲(chǔ)器中的