體系結(jié)構(gòu)-復(fù)習(xí)題..

1、1.簡述：1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究的目的答:1.提高處理器速度2.提高單位時(shí)間內(nèi)指令的執(zhí)行條數(shù)3.提高工作主頻 2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性的層次劃分。答：1.指令內(nèi)部的并行2.指令級(jí)的并行3.任務(wù)級(jí)（過程）的并行4.作業(yè)2.級(jí)的并行（程序級(jí)）簡述：1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究內(nèi)容；2）這三者之間的關(guān)系（要求附圖說明）與系列機(jī)的定義。答：1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要是研究軟件，硬件功能分配以及高性能計(jì)算機(jī) 設(shè)計(jì)技術(shù)；計(jì)算機(jī)組成主要研究計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成及邏輯 設(shè)計(jì)等，著重于機(jī)器內(nèi)部事件的時(shí)序和控制機(jī)構(gòu)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)主要研究處理 器，主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度

2、，器件，模塊，插件, 底板的劃分與連接等相關(guān)的制造工藝技術(shù)。2）計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯組成，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)的物理 實(shí)現(xiàn)。即同一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以有多種計(jì)算機(jī)組成，而同一個(gè)計(jì)算機(jī)組 成可以有多種計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式。系列機(jī)：是指同一生產(chǎn)廠家通過同一計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的具有不同的計(jì)算機(jī)組成和不同計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，軟件上兼容，性能上不同的一系列計(jì)算機(jī)。律系緒構(gòu)I計(jì)算機(jī)組成1計(jì)SHL俎慮2計(jì)W機(jī)組咸3計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)1計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)21計(jì)算機(jī)實(shí) 3產(chǎn)品2產(chǎn)ft 1產(chǎn)品33.簡述：1）程序局部性原理；2）程序局部性原理在多級(jí)存儲(chǔ)體系中的應(yīng)用。答：1）局部性原理：在任一小的時(shí)間范圍內(nèi)，程序?qū)Υ鎯?chǔ)器的訪問集中

3、于 小的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)；局部性表現(xiàn)在處理器發(fā)出的訪問地址隨時(shí)間局部集中，在 聚集區(qū)內(nèi)可出現(xiàn)重復(fù)地址2）虛擬存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)來源于程序的局部性原理（虛擬存儲(chǔ)器=主存+輔存,4.虛擬存儲(chǔ)器的速度約等于主存速度）簡述提高存儲(chǔ)器帶寬的主要途徑。簡述：1）存儲(chǔ)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo),2）提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的基本途徑。提高帶寬：1.縮短訪問周期2.拓寬存儲(chǔ)器字長3.既縮短訪問周期，同時(shí)拓寬字長1）關(guān)鍵指標(biāo)：帶寬2）提高存儲(chǔ)器性能的途徑:1.器件技術(shù)，縮短訪問時(shí)間 2.多體并行存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（拓寬字長，縮短周期）3.多級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)（既提高容量，有提5.咼帶寬）超長字存儲(chǔ)方案單緩沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述?？趩尉彌_方案Dr

4、tfa BUS數(shù)據(jù)血坡訪問疔內(nèi)地處訪Rtf*址工作原理：一次性讀入多個(gè)數(shù)據(jù)字到一個(gè)緩沖行中，根據(jù)需要更新或?qū)懭胂鄳?yīng)單元的內(nèi)容，提高存儲(chǔ)器的訪問速度。6.超長字存儲(chǔ)方案雙緩沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述。2.如果A或者B的地址與訪問行地址相等，則用訪問行內(nèi)地址通過相應(yīng)的 數(shù)據(jù)選擇分配器對(duì)緩沖行的相應(yīng)單元進(jìn)行讀寫；如果是寫入操作則設(shè)置數(shù)據(jù)行相應(yīng)的標(biāo)志位（這里沒有顯示出來），操作結(jié)束。3.如果A與B的地址與訪問行的地址都不相等，則通過仲裁器按照LRU算法判斷對(duì)那個(gè)緩沖行進(jìn)行操作。4.確定了操作的緩沖行后，根據(jù)確定的緩沖行（A或B）的修改標(biāo)志位啟動(dòng)相應(yīng)的存儲(chǔ)體，根據(jù)關(guān)聯(lián)行地址寫入需要修改的存儲(chǔ)單元。5.用訪問

5、行地址啟動(dòng)存儲(chǔ)體，讀出訪問行打入到剛才仲裁器確定的緩沖行 中，并清除修改標(biāo)志位。6.如果是讀操作，則將該緩沖行中的數(shù)據(jù)通過MUX根據(jù)訪問行內(nèi)地址打入到數(shù)據(jù)總線，結(jié)束操作。7. 如果是寫操作，則將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)通過分配器根據(jù)訪問行內(nèi)地址打入該緩沖行，并設(shè)置修改標(biāo)志位，結(jié)束操作。7.簡述虛擬存儲(chǔ)器中的兩級(jí)地址變換過程（要求附圖說明）與地址變換的加速、方法。答：兩級(jí)地址變換過程：通過虛擬地址提供的段號(hào)與當(dāng)前進(jìn)程的段表基地址（段表基地址+段號(hào)）查找頁表基地址，根據(jù)頁表基地址和頁號(hào)（頁表基地址+頁號(hào)）查找頁表獲得實(shí)頁號(hào)，根據(jù)實(shí)頁號(hào)和業(yè)內(nèi)地址拼接得到實(shí)際物理地址（實(shí)頁號(hào)+頁內(nèi)地址）地址變換加速的方法：壓縮

6、地址變換級(jí)數(shù)，將兩級(jí)地址變換壓縮成一級(jí)地址變換。采用虛頁號(hào)-實(shí)頁號(hào)轉(zhuǎn)換表，并采用硬件 TLB實(shí)現(xiàn)快速檢索。段號(hào)和 虛頁號(hào)作為檢索標(biāo)志，實(shí)地址作為檢索結(jié)果。（TLB存儲(chǔ)的最常用的頁表項(xiàng)，實(shí)際就是查找快表）8. 簡述4路組相聯(lián)Cache的工作機(jī)制，并畫出邏輯結(jié)構(gòu)電路圖。（附圖說明）。-I組扌目耳關(guān)Cache白勺訪冋過干呈.根塘組號(hào)譯石馬讒組， 獲取組內(nèi)全部彳亍1言扈1口 冋一組的彳亍分配在不同的存貯體中，類f嘆于 立支存貯一個(gè)組所有行的標(biāo)志殿與訪問標(biāo)志殿進(jìn)彳亍t匕較 口需妾ke比較器從匹配的行中用 行內(nèi) 地址選出 瞰#g一I為 T減少延遲* 數(shù)擴(kuò)選擇與標(biāo)恚匹酉己過干呈并 彳亍”需垂k個(gè)數(shù)據(jù)爹路選扌

7、圣器女口果俎內(nèi)萌標(biāo)志比較者B不+目等，貝H數(shù)塘不在 Cache中.貝U需要訪I邁主存調(diào)入一彳亍數(shù)扌居， 在 同組內(nèi)替換一個(gè)1曰彳亍9. 簡述Cache的三種典型結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)（附地址劃分及引用圖說明）答：1.組相聯(lián)結(jié)構(gòu)標(biāo)擊組號(hào)行內(nèi)地址H I II L檢連定位疔選組從行中選出數(shù)據(jù)單元2.直接相聯(lián)結(jié)構(gòu)標(biāo)志行號(hào)行內(nèi)地址H；命中 L比較標(biāo)志t行號(hào)=組號(hào)按行號(hào)譯碼選行3.全相聯(lián)結(jié)構(gòu)標(biāo)志行內(nèi)地址10. 簡述實(shí)地址Cache在虛擬存儲(chǔ)器中的工作過程及其加速作用。1. 查找TLB，若命中，則形成實(shí)地址。若未命中，則通過查找段，頁表兩級(jí)變換獲得實(shí)地址。2. 用實(shí)地址訪問Cache若命中，則獲得數(shù)據(jù)完成操作。若未命

8、中，則啟動(dòng)主存獲得數(shù)據(jù)并刷新caches加速作用：1.加速虛擬存儲(chǔ)器的訪問2.加速虛地址到實(shí)地址的變換標(biāo)器實(shí)貢號(hào)TLEl標(biāo)志數(shù)據(jù)行未由中曲中TLB未cat中11. 簡述虛地址Cache在虛擬存儲(chǔ)器中的工作過程及其加速作用。地址標(biāo)去打內(nèi)地址47LS號(hào)貝號(hào)頁內(nèi)1S址丫實(shí)頁號(hào) 實(shí)她址 問主存，劇ftCirhPIj A址兩馥變離III 刷fTLB(過程:1.通過虛地址訪問cache,如果命中則獲得數(shù)據(jù)完成操作2.如果虛地址未命中，則啟動(dòng)TLB獲得實(shí)地址查找主存并刷新cache3. 如果TLB未命中則通過兩級(jí)變換獲得實(shí)地址查找主存，并刷新 TLB和cache12. 簡述影響流水線性能的主要因素， 并舉例

9、說明流水線的阻塞情況以及提高流水線吞吐率的主要途徑。答：主要因素： 1.指令長度不均一 2.流水段操作時(shí)間不均一3.轉(zhuǎn)移相關(guān)，即下一條指令的地址依賴于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果4.數(shù)據(jù)相關(guān)，數(shù)據(jù)相關(guān)指流水線中下一條指令的操作數(shù)依賴于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果。例：假設(shè)一個(gè)基本的流水段周期等于存儲(chǔ)器的訪問周期，如果下一條指令的執(zhí)行過程中，取指令 IN 站 2 個(gè)周期，取操作數(shù)占 2 個(gè)周期，進(jìn)入流水線后下一條指令的執(zhí)行就要在流水線如果出和流水線內(nèi)部推遲執(zhí)行。提高主要途徑：a.采用RISC指令集b.采用并行結(jié)構(gòu)直接壓縮段操作時(shí)間（往往受限）C.采用流水線技術(shù)將段細(xì)分成多段流水處理（常用方法）d. 預(yù)測轉(zhuǎn)移的目

10、的地址e. 延遲轉(zhuǎn)移，保持流水線滿負(fù)荷運(yùn)行f. 通過優(yōu)化編譯技術(shù)，調(diào)整執(zhí)行順序使指令之間不相關(guān)g. 通過硬件檢測數(shù)據(jù)相關(guān)，采用內(nèi)部前推技術(shù)將執(zhí)行結(jié)果直 接送下一條指令的執(zhí)行段h.動(dòng)態(tài)調(diào)整指令執(zhí)行順序13. 簡述：流水段細(xì)分的目的與流水段細(xì)分的類型，并舉例說明。類型：串行流水結(jié)構(gòu)（細(xì)分多段允許做串行多步處理，如乘除法運(yùn)算）并行重疊結(jié)構(gòu)（細(xì)分成多段非串行多步處理，如存儲(chǔ)訪問）14. 簡述指令流水線中寄存器變名的作用，并舉例說明。答：通過修改定向寄存器IDR指針來分配OPR,可以為一個(gè)LDR在OPR寄存器組中形成多個(gè)副本舉例：當(dāng)指令進(jìn)入執(zhí)行段時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器 A 分配幾個(gè)操作數(shù)寄存器 OPROPR1

11、初始=<S> AOD A.D»C i => OPRl+D*LOAD A.XX; => OPR2 XX OPR2 分 flri sr e=>- OPr2 b ->c”一 IXCA：=> OPRJ + 1 > OPRJOPRJ曲配假設(shè)A的初值在0PR1中，當(dāng)需要修改A時(shí)給它分配一個(gè)OPR,弓I用A的內(nèi)容變成引用A當(dāng)前對(duì)應(yīng)的OPR的內(nèi)容；當(dāng)指令按程序次序壓入執(zhí)行段中后, A按先后次序在執(zhí)行段中形成3個(gè)副本：0PR1、0PR2、0PR3,可交換并行/并發(fā)執(zhí)行15.簡述RISC處理器的技術(shù)優(yōu)勢。答： 適應(yīng)流水線處理和減少指令譯碼延遲：需要簡化指令

12、格式和壓縮指令條數(shù)，采用統(tǒng)一的指令格式RISC思想適合VLSI技術(shù):簡化指令系統(tǒng)可以簡化指令譯碼和控制器的結(jié)構(gòu)，節(jié)省芯片面積，用于制作寄存器堆和在片Cache,減少處理機(jī)與主存之間的信息流量RISC設(shè)計(jì)技術(shù)中，十分重視指令流的統(tǒng)計(jì)分析和軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化編譯技術(shù)16. 假設(shè)功能A通過一 4段流水線S1、S2、S3和S4實(shí)現(xiàn)，流水線預(yù)留表如下所示，試設(shè)計(jì)一種單功能流水線控制器，避免發(fā)生流水線沖突。T1T2T3T4T5T6T7T8S1XXXS2XXXS3XXS4XXX功能A預(yù)留表薫止/允許清求例如，要計(jì)算一算術(shù)表達(dá)式：x = （a + b ） * （ a - c）串行控制流模型<1«

13、;>稈序存儲(chǔ)轟口并行控制流模型共享存儲(chǔ)器i2數(shù)據(jù)存梯券采用操作FORX（開始并行到冥K 指令）和JOIN（聯(lián)合煤指令） 顯式地表示井行 性，井允許在同 時(shí)刻有幾個(gè)控 制流同時(shí)活動(dòng)18. 2如果禁止啟動(dòng)，則啟動(dòng)請(qǐng)求保持（等待），寄存器輸入“ 0”移位17. 簡述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其在流水線中的應(yīng)用。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制：數(shù)據(jù)流機(jī)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式工作，其工作原理與傳統(tǒng)的馮？諾依曼機(jī)根本不同：它的指令不是在中央控制器的控制下順序執(zhí)行，而是在數(shù)據(jù)的可用性控制下并行執(zhí)行?？蓺w納為兩點(diǎn)：當(dāng)指令所需的數(shù)據(jù)可用時(shí)，該指令才可執(zhí)行（O指令的執(zhí)行不受其它控制條件的約束， 只要 它所需的操作數(shù)齊備并且可用時(shí)即可同時(shí)執(zhí)行O

14、 2操作結(jié)果不受指令執(zhí)行順序的影響O 3這是 數(shù)據(jù)流機(jī)所特有的指令操作異步性和操作結(jié)果確定性）（2）任何操作都是純函數(shù)操作（O 1 2 3在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中沒有變量概念，也不設(shè)置狀態(tài)，在指 令之間直接傳送數(shù)據(jù)（傳值）0 2因此，操作結(jié)果不產(chǎn)生副作用（side effect ），不改變機(jī)器 狀態(tài)，從而具有純函數(shù)的特點(diǎn)）在流水線中的應(yīng)用：（1）串行控制流模型（傳統(tǒng)的馮 ？諾依曼機(jī)中采用）（2 ）并行控制流模型（并行多處理機(jī)系統(tǒng)中采用）兩者的根本區(qū)別在于：程序的表示方法中對(duì)計(jì)算順序的控制方法不同立方體交換網(wǎng)絡(luò)r"2C bg r31C7_D二-L_L_jnLfe IjDTO斗0 J半;二口二;二二cule-219. N叉樹的優(yōu)先搜索算法初始化：將根節(jié)點(diǎn)壓棧；節(jié)點(diǎn)出棧作為當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)；搜索當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，若無子節(jié)點(diǎn)并且棧空則結(jié)束; 如果當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)有下層子節(jié)點(diǎn)，則將同層子節(jié)點(diǎn)壓棧； 返回2)。N叉樹深度優(yōu)先搜索機(jī)制及算