[工學(xué)]計算機體系結(jié)構(gòu)術(shù)語解釋

1、.計算機體系結(jié)構(gòu)術(shù)語解釋1、計算機高性能發(fā)展受益于：(1)電路技術(shù)的發(fā)展；(2)計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。2、層次結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)可以按語言的功能劃分為多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以不同的語言為特征。第六級：應(yīng)用語言虛擬機 ->第五級：高級語言虛擬機 ->第四級：匯編語言虛擬機 ->第三級：操作系統(tǒng)虛擬機 ->第二級：機器語言(傳統(tǒng)機器級) ->第一級：微程序機器級。3、計算機體系結(jié)構(gòu)：程序員所看到的計算機的屬性，即概括性結(jié)構(gòu)與功能特性。4、透明性：在計算機技術(shù)中，對本來存在的事物或?qū)傩?，從某一角度來看又好像不存在的概念稱為透明性。5、Amdahl提出的體系結(jié)構(gòu)是指機器語

2、言級程序員所看見的計算機屬性。6、經(jīng)典計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)3是計算機系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，也就是指令集的設(shè)計，該界面之上由軟件的功能實現(xiàn)，界面之下由硬件和固件的功能來實現(xiàn)。7、計算機組織是計算機系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機系統(tǒng)的物理實現(xiàn)。8、計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組織、計算機實現(xiàn)的區(qū)別和聯(lián)系？答：一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)包括對組織與實現(xiàn)的研究。9、系列機：是指具有相同的體系結(jié)構(gòu)但具有不同組織和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。10、軟件兼容：即同一個軟件可以不加修改地運行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各機器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運行時間的不同。

3、11、兼容機：不同廠家生產(chǎn)的、具有相同體系結(jié)構(gòu)的計算機。12、向后兼容是軟件兼容的根本特征，也是系列機的根本特征。13、當(dāng)今計算機領(lǐng)域市場可劃分為：服務(wù)器、桌面系統(tǒng)、嵌入式計算 三大領(lǐng)域。14、摩爾定律：集成電路密度大約每兩年翻一番。15、定量分析技術(shù)基礎(chǔ)（1）性能的評測：（a）響應(yīng)時間：從事件開始到結(jié)束之間的時間；計算機完成某一任務(wù)所花費的全部時間。（b）流量：單位時間內(nèi)所完成的工作量。（c）假定兩臺計算機 x、y；x比 y快意思為：對于給定任務(wù)，x的響應(yīng)時間比y少。x的性能是y的幾倍是指：響應(yīng)時間x /響應(yīng)時間y = n，響應(yīng)時間與性能成反比。16、大概率事件優(yōu)先原則：（基本思想）對于大概

4、率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。17、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。系統(tǒng)加速比 =總執(zhí)行時間（改進(jìn)前）/總執(zhí)行時間（改進(jìn)后）= 18、Amdahl定律推論：如果僅僅對計算機中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。如果只針對整個任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，那么多獲得的加速比不大于1 /（1-可改進(jìn)比例）。19、cpu性能：Cpu時間 =總時鐘周期數(shù) /時鐘頻率 Cpi =總時鐘周期數(shù) / ic（cpi：平均每條指令的時鐘周期數(shù)；ic：執(zhí)行過程當(dāng)中的指令條數(shù)。）Cpu性能公式：總c

5、pu時間 = cpi × ic /時鐘頻率 其中：cpi反映了計算機實現(xiàn)技術(shù)、計算機指令集的結(jié)構(gòu)和計算機組織；Ic反映了計算機指令集的結(jié)構(gòu)和編程技術(shù)；時鐘頻率：反映了計算機實現(xiàn)技術(shù)，生產(chǎn)工藝和計算機組織。20、并行性：是指在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同工作。第二章1、根據(jù)cpu內(nèi)部存儲單元類型對指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，一般可分為堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。2、通用寄存器型指令集機進(jìn)一步細(xì)分為3種類型： 寄存器-寄存器型（R-R）、寄存器-存儲器型（R-M）、存儲器-寄存器型。3、尋址方式：（1）寄存器尋址：例：ADD R4

6、, R3 含義：RegsR4<-RegsR4+RegsR3（2）立即值尋址：例：ADD R4,3含義：RegsR4<-RegsR4+3（3）偏移尋址：例：ADD R4, 100(R1)含義：RegsR4+Mem100+RegsR1（4）寄存器間接尋址：例：ADD R4, (R1)含義：RegsR4<-RegsR4+MemRegsR1（5）索引尋址：例：ADD R3, (R1+R2)含義：RegsR3<-RegsR3+MemRegsR1+RegsR2（6）直接尋址或絕對尋址：例：ADD R1, (1001)含義：RegsR1<-RegsR1+Mem1001（7）存儲

7、器間接尋址：例：ADD R1,a(R3)含義：RegsR1<-RegsR1+MemMemRegsR3 （8）自增尋址：例：ADD R1, (R2)+含義：RegsR1<-RegsR1+MemRegs（9）自減尋址（10）縮放尋址4、指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計： 指令集結(jié)構(gòu)中操作的分類 操作類型 實例（1）算術(shù)與邏輯運算 整數(shù)的算術(shù)和邏輯運算：加、減、與、或等（2）數(shù)據(jù)傳輸 LOAD/STORE（3）控制 分支、跳轉(zhuǎn)、過程調(diào)用和返回、自陷等（4）系統(tǒng) 操作系統(tǒng)調(diào)用、虛擬存儲器管理。（5）浮點 浮點加、減等操作（6）十進(jìn)制 十進(jìn)制加、十進(jìn)制乘、十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換（7）字符串 字符串移動、比較

8、（8）圖形 像素操作，壓縮操作5、復(fù)雜指令機（CISC）：是指強化指令功能，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移，基于這種指令集結(jié)構(gòu)而設(shè)計實現(xiàn)的計算機系統(tǒng)。CISC指令集存在的缺點：（1） 在這種指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2） CISC指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計錯誤。（3） CISC指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計帶來了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（4） 在CISC指令集結(jié)構(gòu)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運行速度慢。（5） 在CISC指令集結(jié)構(gòu)中，由于各條指令功能的不均衡，不利于采用先進(jìn)的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水

9、技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。6、20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的精簡指令集計算機：其目的是盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達(dá)到簡化實現(xiàn)，提高性能的目的，也是當(dāng)今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的一個主要趨勢。其設(shè)計時遵循的原則：（1） 選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令。（2） 每條指令的功能盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成。（3） 所有指令長度均相同。（4） 只有LOAD和STORE操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。（5） 以簡單有效的方式支持高級語言。7、操作數(shù)類型：整數(shù)（定點）、浮點、十進(jìn)制、字符、字符串、向量、堆棧等。8、操作數(shù)類型的表示有兩種方法：（1）由操作碼的編碼指定

10、。（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)運算。9、操作數(shù)類型大小有：字節(jié)（8）、半字（16b）、單字（32b）、雙字（64b）第三章1、流水線技術(shù)：是指將一個重復(fù)的時序過程，分解為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執(zhí)行。2、流水線分類：（1）按功能的多少來分：單功能流水線、多功能流水線；（2）按同一時間內(nèi)各段之間的連接方式來分：靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線（3）按流水線的級別來分：部件級流水線（運算操作流水線）、處理機級流水線（指令流水線）、處理機間流水線（宏流水線）（4）按各個流水段之間是否有反饋回路來分：線性流水線、非線性

11、流水線（5）按數(shù)據(jù)表示分：標(biāo)量流水處理機、向量流水處理機3、先行控制器處理機結(jié)構(gòu)：包括三個獨立的控制器和四個緩沖棧。其中三個控制器為：存儲控制器、指令控制器、運算控制器。四個緩沖棧：先行指令緩沖棧、線性讀數(shù)緩沖棧、現(xiàn)行操作棧，后行寫數(shù)棧。4、吞吐率：是指單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。TP = n / Tk實際吞吐率小于最大吞吐率 Tk = (k+n-1)t5、加速比：是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比（s）；效率：是指流水線的設(shè)備利用率（E）。6、若流水線各段的時間相等：吞吐率：TP=n/(k+n-1)t TPmax=1/t若各段執(zhí)行時間不相等時，完成幾個任務(wù)：TP=

12、n /(ti + (n-1)max(t1,t2tk)7、加速比和使用效率的關(guān)系： E = s/m或 S = mE8、效率和吞吐率的關(guān)系： E = TPt0或 TP = E/t 11、效率：E = n個任務(wù)占用的時空區(qū) / k個流水段的總的時空區(qū) = T0 / K·Tk E = n/(k+n-1) S = k·n /(k+n-1) TP = n / (k+n-1)t12、單功能流水棧：是指只能完成一種固定功能的流水棧。13、多功能流水棧：流水棧的各段通過不同連接實現(xiàn)不同功能。14、非線性流水線調(diào)度：任務(wù)時要找出一個最小的循環(huán)周期，按照個周期向流水線輸入新任務(wù)，流水線的各個功能

13、段都不會發(fā)生沖突，而且流水線的吞吐率和效率最高。15、非線性流水線：某些流水段之間有反饋回路或前饋回路。16、啟動距離：連續(xù)輸入連個任務(wù)之間的時間間隔。17、流水線沖突：幾個任務(wù)爭用同一個流水段。18、禁止向量：預(yù)約表中每一行任意兩個“x”之間距離的集合。19、沖突向量：C = (Cm·Cm-1··C2·C1)其中m時禁止向量中的最大值20、數(shù)據(jù)相關(guān)：在執(zhí)行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數(shù)、變量等是前面指令的執(zhí)行結(jié)果，這種相關(guān)稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。21、控制相關(guān)：由條件分支指令、轉(zhuǎn)子程序指令、中斷等引起的相關(guān)。22、三種數(shù)據(jù)相關(guān)：限度后寫相關(guān)、先寫后讀相

14、關(guān)、寫寫相關(guān)。第四章1、指令級并行：當(dāng)指令之間不存在相關(guān)時，它們在流水線中時可以重疊起來并行執(zhí)行的，這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。2、在開發(fā)循環(huán)級并行的各種技術(shù)中，最基本的技術(shù)有：指令調(diào)度技術(shù)、循環(huán)展開技術(shù)和換名技術(shù)。第五章（存儲系統(tǒng)）1、存儲系統(tǒng)定義：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲器系統(tǒng)對應(yīng)用程序員時透明的，并且，以應(yīng)用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。2、存儲系統(tǒng)分為兩類：（1）Cach

15、e存儲系統(tǒng)：由Cache與主存儲器構(gòu)成，目的是提高存儲器速度。（2）虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成，目的是擴大存儲器容量。3、存儲系統(tǒng)的價格： C =（C1S1+C2S2）/（S1+S2）4、存儲系統(tǒng)的速度：表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等。5、命中率定義：在M1存儲器中訪問到的概率u = N1 / (N1+N2) N1是對存儲器M1的訪問次數(shù)，N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)。6、訪問效率： T1 1e = T1/T = = = f（u, T2/T1） u·T1+(1-u)T2 u+(1-u)·T2/T17、采用預(yù)取技術(shù)提高命中率.（方法） 不命中時，把

16、M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數(shù)據(jù)塊取出來送入M1存儲器中. u= (u+n-1) / n 其中u是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率；u是原來的命中率； n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積。8、加速內(nèi)部地址變換方法：（1）目錄表：用一個小容量高速存儲器存放頁表；（2）快慢表：快表、慢表構(gòu)成一個兩級存儲系統(tǒng)；（3）散列函數(shù)：把相聯(lián)訪問變成接地址訪問。9、頁面替換算法：（1）隨機算法（RAND）；（2）先進(jìn)先出算法（FIFO）；(3)近期最少使用算法（LFV）；（4）最久沒有使用算法（LRV）；（5）最優(yōu)替換算法（OPT）。10、“顛簸”現(xiàn)象：一個頁面剛被調(diào)出主存儲器，又要被調(diào)入。11、堆棧型替換

17、算法：對任意一個程序的頁地址流作兩次主存頁面數(shù)分配，分別分配m個主存頁面和n個主存頁面，并且mn。如果在任何時刻t，主存頁面數(shù)集合Bt都滿足關(guān)系：Bt(m)Bt(n)則這類算法成為堆棧型替換算法。12、Cache地址映像方法：（1）全相聯(lián)映像；（2）直接映像；(3)組相聯(lián)映像；（4）位選擇組相聯(lián)映像；（5）段相聯(lián)映像。13、Cache存儲替換算法：（1）輪換法（2）LRV算法（3）比較對法（4）堆棧法。14、單處理機的Cache一致性：包括寫直達(dá)法：寫通過法，CPU的數(shù)據(jù)寫入Cache時，同時頁寫入主存還有寫回法：抵觸修改法，CPU的數(shù)據(jù)只寫入Cache，不寫入主存，僅當(dāng)替換時才把修改過的Ca

18、che塊寫回主存二者優(yōu)缺點比較：（1） 可靠性：寫直達(dá)法優(yōu)于寫回法。（2） 與主存的通訊量，寫回法少于寫直達(dá)法。（3） 控制的復(fù)雜性，寫直達(dá)法比寫回法簡單。（4） 硬件實現(xiàn)的代價，寫回法比寫直達(dá)法好。15、多處理機的一致性：（1）目錄協(xié)議 （2）兼聽協(xié)議第六章（輸入/輸出系統(tǒng)）1、衡量I/O系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有響應(yīng)時間和可靠性。2、磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率分為外部傳輸率和內(nèi)部傳輸率。3、外部傳輸率（突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率）：計算機通過磁盤接口從硬盤的緩存中將數(shù)據(jù)讀出，發(fā)給相應(yīng)的控制器的速度。4、內(nèi)部傳輸率（持續(xù)傳輸率）：硬盤將數(shù)據(jù)從盤片上讀取出，交給硬盤上的緩沖存儲器的速度。5、反映存儲外設(shè)可靠性能的參數(shù)有可

19、靠性、可用性和可信性。6、可靠性衡量標(biāo)準(zhǔn)用：平均無故障時間。7、可用性衡量標(biāo)準(zhǔn)用：平均失效間隔時間。8、總線：總線時各子系統(tǒng)之間共享的通信鏈路，具有低成本和多樣性這兩個優(yōu)點。9、總線的主要缺點：它必須獨占使用，造成了設(shè)備信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。10、分離事務(wù)總線：在有多個設(shè)備時，可用通過打包技術(shù)來提高總線帶寬，這樣每次I/O操作就不必在整個傳輸過程中都占有總線，其基本思想時將總線事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分，這樣總線就可以在某個總線事務(wù)的請求和應(yīng)答間的空閑時間間隔內(nèi)被其它總線事務(wù)使用。（又稱流水總線、懸掛總線、包交換總線）11、控制外部設(shè)備的輸入/輸出方式分為：直接傳送、

20、程序查詢、中斷、DMA、通道方式。12、I/O設(shè)備的編址方式：（1）存儲器映射I/O或稱為統(tǒng)一編址（2）I/O設(shè)備單獨編址13、通道：能夠執(zhí)行有限的I/O指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型的DMA專用處理機。14、通道的功能：（1）接受來自CPU的I/O指令，并根據(jù)指令要求選擇指定的外圍設(shè)備與通道相連接。（2）執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。（3）為主存和外設(shè)裝配和拆卸信息，控制主存和I/O設(shè)備傳送數(shù)據(jù)并提供傳送通路，指示數(shù)據(jù)存放的主存地址和傳送字節(jié)數(shù)。（4）指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。（5）檢查

21、外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，時正常還是故障。（6）在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必需的格式變換。15、通道的種類：（1）字節(jié)多路通道（2）選擇通道（3）數(shù)組多路通道。16、通道的工作過程：（1）在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。（2）通道處理機執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。通道處理機執(zhí)行通道程序是與CPU執(zhí)行用戶程序并行的。（3）通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)某個中斷請求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進(jìn)行處理。第七章（多處理機）1、Cache一致性協(xié)議：（1）目錄協(xié)議和兼聽協(xié)議；（2）橫向分為：寫作廢協(xié)議和寫更新協(xié)議；（3）縱向分為：單處理協(xié)議和單數(shù)據(jù)流協(xié)議。2、并行計算機體系結(jié)構(gòu)的分類：單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）、單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）、多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。3、目錄協(xié)議分為三類：全映射目錄、有限目錄、鏈?zhǔn)侥夸洝?、鏈?zhǔn)侥夸洠和ㄟ^維護(hù)一個目錄指針鏈來跟蹤共享數(shù)據(jù)拷貝。思想：當(dāng)p1讀x時，存儲器送x到cachel，同時寫cachel的一個鏈結(jié)束指針ct在存儲器也保存一個指向cachel的指針，