计算机系统结构复习一

serendipityLB
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第一章：计算机系统结构的基本概念

名词解释：

1.1虚拟机： 由软件实现的机器

:1.2系统结构：

狭义：程序员所能看到的计算机的属性（概念性结构和功能特性）

广义：指令集结构、组成和硬件

1.3系统加速比：-

加速比=系统性能（改进后）/系统性能（改进前）=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）加速比=系统性能（改进后）/系统性能（改进前） =总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）

注意：加速比＞1

1.4Amdahl定律：加速某一部件的执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比

1.5系列机： 由同一厂家生产的具有相同的系统结构，不同的组成和实现的一系列不同型号的计算机

1.6模拟： 用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令集

**1.7仿真：**用一台现有的计算机的微程序去解释实现另一台计算机的指令集

**1.8并行性：**计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行的多种运算或操作

简答题：

1、什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？

:curly_loop:**软件兼容：**一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。差别只是执行时间的不同。

软件兼容特征：

  • 向上兼容
  • 向下兼容

上下针对于计算机的档次

  • 向前兼容
  • 向后兼容

前后针对于时间

向后兼容是软件兼容的根本特征

2、试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

  1. 计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现

  2. 计算机实现：是计算机组成的物理实现

  3. 计算机系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种实现。

    同一系列机中各个型号的机器具有相同的系统结构，采用了不同的组成和实现，因此具有不同的性能和价格

3、计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？

  • 大概率事件优先原则
  • Amdahl定律
  • 程序局部性原理

4、 根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？

  • 部件加速比
  • 可改进比例

5、计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

  • 时间重叠：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分
  • 资源重叠：通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能
  • 资源共享：一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备

补充考点：

1、常见的计算机系统结构分类法有：冯氏分类法 和 Flynn分类法

**冯氏分类法：**用系统的最大并行度对计算机进行分类

**Flunn分类法：**按照 指令流 和 数据流 的多倍性进行分裂

  • 单指令流单数据流
  • 单指令流多数据流
  • 多指令流多数据流
  • 多指令流多数据流

2、计算机系统设计的定量原理（4个）

  • 以经常性事件为重点
  • Amdahl定律

总执行时间改进后=可改进部件时间+不可改进部件时间总执行时间_{改进后}=可改进部件时间+不可改进部件时间

总执行时间改进后=可改进比例∗总执行时间改进前部件加速比+(1−可改进比例)∗总执行时间改进前总执行时间_{改进后}=\frac{可改进比例*总执行时间_{改进前}}{部件加速比}+(1-可改进比例)*总执行时间_{改进前}

于是：

加速比=总执行时间改进前总执行时间改进后=1(1−可改进比例)+可改进比例部件加速比加速比=\frac{总执行时间_{改进前}}{总执行时间_{改进后}}=\frac{1}{(1-可改进比例)+\frac{可改进比例}{部件加速比}}
  • CPU性能公式

CPU时间=执行程序所需的时钟周期数∗时钟周期时间CPU时间=执行程序所需的时钟周期数*时钟周期时间

CPI=执行程序所需的时钟周期数/所执行的指令条数（CPI：每条指令的平均时钟周期数）CPI=执行程序所需的时钟周期数/所执行的指令条数（CPI：每条指令的平均时钟周期数）

=>CPU时间=IC∗CPI∗时钟周期时间（IC:执行的指令条数）=> CPU时间=IC*CPI*时钟周期时间（IC:执行的指令条数）

  • 程序的局部性原理

4、执行时间 与 吞吐率

  • 执行时间：单个程序完成所需要的时间
  • 吞吐率：单位时间执行的程序数

第二章：计算机指令集结构

名词解释：

2.1CISC: 复杂指令集计算机

2.1RISC: 精简指令集计算机

2.3寻址方式： 一种指令集合结构如何确定所要访问的数据的地址

2.4数据表示： 计算机硬件能够直接识别 ，指令集可以直接调用的数据类型

简答题：

1、从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？

  • 各种指令的使用频率相差悬殊
  • 指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂
  • 许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢
  • 由于指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水线技术来提高性能

2、RISC的设计原则是什么？

  • 指令条数少而简单
  • 采用简单而又统一的指令格式
  • 指令的执行在单个机器周期内完成
  • 只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行，即load-store结构
  • 大多数指令都采用硬连逻辑来实现
  • 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码
  • 充分利用流水线技术来提高性能

3、 MIPS采用哪几种寻址方式？（5种或者2种，也就是两种表示形式）

  • 立即数寻址
  • 偏移量寻址

补充考点：

1、根据存储操作数的存储单元的类型对指令集结构进行分类，以及每类的特点（图2.1和表2.1）

  • 堆栈结构
  • 累加器结构
  • 通用寄存器结构
    • 寄存器-存储器结构
    • 寄存器-寄存器结构

2、操作数类型的两种表示方式

  • 整数
  • 浮点数

3、MIPS三种指令格式

  • I类指令：包括load，store，立即数指令，分支指令，寄存器跳转指令，寄存器链接跳转指令
  • R类指令：ALU指令，专用寄存器读/写指令，move指令
  • J类指令：跳转指令，跳转并链接指令，自陷指令与异常返回指令

4、指令集三种编码格式

  • 变长编码格式
  • 固定长度编码格式
  • 混合型编码格式

5、MIPS四种操作类型

  • load和store
  • ALU操作
  • 分支与跳转
  • 浮点操作
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