第一章计算机系统结构的基本概念
1．1计算机系统的多级层次结构
1、由高到低分6级
虚拟机器：
●M5：应用语言级。经应用程序包翻译成高级语言程序；
●M4：高级语言级。经编译程序翻译成汇编语言、中间语言程序、机器语言程序。
●M3：汇编语言级。经汇编程序翻译成机器语言程序。
●M2：操作系统级。用机器语言程序解释作业控制语句。
实际机器：
●M1：传统机器语言级。用微指令解释机器指令。
●M0：微程序级。由硬件直接执行微指令。
2、机器——被定义为能存储和执行相应语言程序和数据结构的集合体。
3、翻译——是先用转换程序将高一级的机器级的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级上实现的技术。
4、解释——在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
5、虚拟机器不一定由软件实现，有些操作也可以用软硬件或硬件实现。
6、软件和硬件在逻辑功能上是等效的，只是性能、价格、实现的难易程序不同。在满足应用的前提下，主要是看能否充分利用硬、器件技术的进展，使系统有较高的性价比。因此，采用何种方式实现，就从系统的效率、速度、造价、资源状况等多方面考虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡。
7、计算机看成层次结构推动了计算机系统结构的发展：
可以重新调整软、硬件比例，充分利用更多、更好的硬件支持，改变硬、器件迅速发展而软件日益复杂、开销过大的状况；
可以将各虚拟机用真正的实处理机代替，摆脱各级功能都在同一台实机器上实现的状况，发展多处理机、分布处理、计算机网；
可以在一台宿主机上模拟或仿真另一台机器，推动自虚拟机、多种操作系统共行等技术的应用，从而促进软件移植、计算机性能评价、计算机设计自动化等的发展。
1．2计算机系统结构、组成与实现
1、系统结构——是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下功能的分配。
2、透明——客观存在事物或属性从某个角度看不到，称对他透明。
3、计算机系统结构（计算机体系统结构）——它只是系统结构中的一部分，指的是传统机器级的系统结构。其界面之上包括操作系统、汇编语言、高级语言级和应用语言级中所有软件功能，界面之下包括所有硬件和固件的功能。因此，它是软件和硬件的交界面，是机器语言、汇编语言程序、编译程序设计者看到的机器物理系统抽象。计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能划分以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言、编译程序程序设计者为使其设计的系统能在机器上正确运行应看到和遵守的计算机属性。
4、机器级内部的数据流、控制流的组成，逻辑设计和器件设计等都不包含在计算机系统结构中。
5、计算机组成——是计算机系统的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成
和逻辑设计等。它着眼于机器级内部各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件的联系。计算机组成设计要解决的问题是，在达到所希望的性能、价格下，如何更好地把各种设备和部件组织成计算机，来实现所确定的系统结构。
6、计算机实现——是指计算机组成的物理实现，它着眼于器件技术和微组装技术。其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。
7、设计何种系列机发球计算机系统结构，而系列机内不同型号计算机的组织属于计算机组成。
8、结合型通道——让通道的功能借用中央处理机的某些部件完成。同一套硬件分时执行中央处理机和通道的功能。速度低、成本低。
9、独立型通道——通道单独设置硬件，与中央处理机并行，成本高、速度高。
10、计算机系统结构、组成、实现的相互影响：
相同结构的计算机，可以采用不同的组成，一种组成可以有不同的实现。
不同的结构可能采用不同的组成技术，组成反过来也影响结构，如果没有组成技术的进步，结构进展是不可能的。
结构设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时要考虑可能采用和准备采用的组成技术。结构设计应尽可能避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展，尽量做到既能方便地在低档机上用简单、便宜的组成实现，又能在高档机上用复杂、较贵的组成实现，使它们都能充分发挥出实现方法所带来的好处，这样结构才有生命力。
组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术，它们可以与实现折衷权衡。组成与实现的权衡取决于器件来源、厂家技术特长、性价比能否优化。
结构、组成、实现所包含怕具体内容随不时期、不同的计算机系统会有差异。在有些系统中作为结构的内容，在另一个系统中可能是组成和实现的内容。
11、从程序设计者看的计算机系统结构——着眼于软、硬件功能分配和确定程序设计者看到的机器级界面的计算机系统结构。
12、从计算机设计者看的计算机系统结构——着眼于如何更好、更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成。
1．3软硬件取舍与计算机系统设计思路
1、软硬件取舍的原则：
第一个基本原则：应考虑在现有的硬器件（主要是逻辑器件和存储器件）条件下，系统要有高的性价比。（经常用的基本单元功能，才适宜用硬件实现；产量大的计算机系统，才适宜增加硬件功能实现的比例）
第二个基本原则：要考虑可能采用和准备采用的组成技术，尽可能不要过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。
第三个基本原则：不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的发展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计者提供更多更好硬件支持放在首位，应进一步缩短语义差距，差距缩小了，系统结构对软件设计的支持就加强了。
2、计算机系统的设计思路：
由上往下，先考虑如何满足应用要求，定好面对使用者某级机器应有什么基本功能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级。适合于专用机设计，不适宜用于通用机设计。因为应用对象和范围改变时，软、硬件分配会很不适应，系统效率会急剧下降。
由下往上，不管应用要求，只根据能拿到的器件，参照或吸收已有各种机器的特点，先
设计出微程序机器级、传统机器级，然后再为不同的应用配多种操作系统和编译系统软件，使应用人员根据所提供的语言种类、数据形式，采用合适的算法来满足相应的应用。这是20世纪60-70年代常用的通用机设计思路。但是，是在硬件不能改变的情况下被动地设计软件，软件因不能获得为优化软件设计而提供的硬件支持而显得繁杂。而且，这样研制的硬件机器的某些性能指标可能是虚假的，如传统机器级的“每秒运算次数”。因此，由下往上设计在硬件技术飞速发展而软件发展相对缓慢的今天，难以适应系统发展要求，已很少使用。
由中间开始（软、硬件设计分离和脱节是上述两思路的主要缺点，所以提出“由中间开始设计”。“中间”指的是层次结构中的软、硬交界面，目前多数是传统机器级与操作系统机器级之间），进行软、硬件功能分配时，既要考虑能拿到的硬、器件，又要考虑可能的应用所需的算法和数据结构，先定义好软硬件功能分配这个交界面，然后由这个中间点分别往上、往下进行软件、硬件并行设计。
1．4结构设计要解决好软件的可移植性
1、软件的可移植性——指的是软件不修改或只经少量修改就可以由一台机器搬到另一台机器上运行，同一个软件可应用于不同的环境。
2、实现软件可移植性的几个基本技术：统一高级语言、采用系列机、模拟与仿真、异种机联网。
3、统一高级语言技术，就是要设计出一种完全通用的高级语言，为所有程序员所使用。这样就能实现高级语言程序在结构相同、完全不同的机器之间移植（ADA语言是此方向的重要发展）。
4、至今没有一种是对各种应用真正通用的高级语言，原因是：
第一，不同的用途，要求的语言的语法、语义结构不同（例FORTRAN、COBOL）。
第二，人们对语言的基本结构看法不一（例GOTO语句）。
第三，同一种高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用（厂家为发展自己的行色常使用“方言”）。
第四，人们不愿抛弃惯用的语言和原语言开发的软件。
5、采用系列机技术，就是在结构相同（相近）、档次不同的机器间统一机器语言，实现软件移植。依据由中间向两边设计思路，定义好软、硬件界面结构（系统结构）后，软件者按此设计软件，硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的硬、器件和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。确定系列结构最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示、概念性结构。
6、向上（下）兼容——指的是某档机器编制的软件，不加修改就能运行在比它高（低）档的机器上。（同系列、不同档。一般应做到向上兼容，但向下兼容就不一定）
7、向前（后）兼容——指的是在按某个时期投入市场的访型号机器上编制的软件，不加修改就能运行于在它之前（后）投入市场的机器上。（同系列、同档次。
8、各系列机必须保证向后兼容，力争向上兼容。
9、优化性价比——指的是在满足性能的前提下昼降低价格，或在某种价格情况下昼提高性能。
10、尽管软件兼容性要求到一定时候会阻碍计算机系统结构的发展，在设计新机器、新系列时仍要必须遵循系列机概念和软件兼容性约束。只是到一定的时候，不要固守旧系列，而要发展新系列。
11、模拟——B机器的每条机器指令由A机器的一段机器语言程序解释，实现软件移植。（宿主机、虚拟机）
12、仿真——用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。（宿主机、目标机）
13、模拟和仿真可以实现不同系统结构间的软件移植，主要区别在于解释用的语言。仿真用微程序解释，解释程序存在于控制存储器中。模拟用机器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。不同系列间的软件移植一般是仿真与模拟并用。频繁使用的、易于仿真的机器指令宜于仿真，以提高速度。很少使用的、难于仿真的指令及I/O操作宜采用模拟。
14、解决软件移植问题技术的总结：
统一高级语言，可以解决结构相同、完全不同的机器间的软件移植，从长远看是方向，但目前难以解决，只能做相对统一。
系列机，是当前普遍采用的好方法，但只能实现同一系列内的软件兼容。虽然允许发展变化，但兼容的约束一定时候会阻碍系统结构进行突破性发展。
模拟，灵活，可实现不同系统间的软件移植，但结构差异太大时，效率、速度会急剧下降。
仿真，在速度上损失小，不灵活，只能在差别不大的系统间使用，否则效率会过低且难于仿真，需与模拟结合才行。
1．5应用与器件的发展对系统结构的影响
1、从用户来讲，总希望机器的应用范围越宽越好，这样应用发生改变时不同购置新的机器。采用系列机形式的多功能通用机的出现，标志着计算机工业开始走向成熟。
2、计算机应用分4类：数据处理、信息处理、知识处理、智能处理。
3、微型机发展的两年趋势：一是利用VLSI的进展，维持价格提高性能，向小型机靠拢；二是维持性能降低价格，发展更低档的亚微型和微微型计算机，进一步扩大应用。
4、巨、大型机一般采用维持价格提高性能、提高价格提高性能来不断研究和采用新的结构和组成。
5、器件的功能和使用方法发生了很大的变化，从非用户片，发展到现场片和用户片。它影响着结构和组成技术的发展。
6、非用户片——也称通用片。其功能是由器件厂生产时定死的，器件的用户只能用，不能改变内部功能。
7、现场片——用户根据需要可改变器件内部的功能。如编程只读存储器PROM、现场可编程逻辑陈列FPLA。由于是存储器件，规整通用，适宜大规模集成。
8、用户片——专门按用户要求生产的高集成度VLSI器件。完全按用户要求设计的用户片称全用户片。生产工序基本按通用片，仅最后门电路或触发器间的连线按用户要求制作，称半用户片。
9、逻辑类器件集成度难以提高，它的高度集成会使引线倍增，并影响通用性。存储类器件容量增大一倍，只增加一个地址输入端，适合高度集成，通用性更强。所以，人们在结构、组成中有意识地发展存储逻辑，用存储器件取代逻辑器件。
10、器件的发展改变了逻辑设计的传统方法：
●对于使用通用片的计算机，过去，逻辑设计主要是逻辑化简。对于现在VLSI来说，
应着眼于在满足结构提出的功能和速度要求下，如何缩短设计周期、提高系统效能、用上批量生产的通用片。
●对于使用现场片的计算机，不能用过去硬的逻辑设计方法，应主要用微汇编、微高
级语言、计算机辅助设计等软的方法来设计。
●对于使用用户片的计算机，机器设计的关键就是芯片设计，要保证芯片利用率，必
须采用计算机辅助设计。
11、器件的发展是推动结构和组成前进的关键因素：
●器件集成度没有提高，器件、机器的速度就可能有数量级的提高；
●器件可靠性没有数量级的提高，无法采用流水技术；
●没有高速、廉价的半导体存储器，高速缓冲存储器、虚拟存储器概念就无法真正实
现；
●没有现场型PROM器件，微程序技术就无法得到广泛应用；
●只有有了高速相联存储器器件，才有相联处理机结构的发展，才能推动向量机、数
组机、数据库机的发展；
●没有器件性价比的迅速提高，新的组成就无法下移，得不到推广应用，厂家也就不
能研制功能更强的VLSI器件。说明，计算机组成的发展反过来也会促进器件的发
展。
12、器件的发展加速了结构的下移。
13、器件的发展促进了算法、语言和软件的发展。微处理器性价比的迅速提高，加速了大规模、高性能的并行处理机MPP、通信网络、机群系统等新结构的发展，促进人们为它研究新的并行算法、并行语言、并行处理应用软件、并行操作系统软件，使系统的规模和处理速度能随节点处理数的增加而显著增加。
1．6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类
1、在同一器件技术水平上，进一步提高计算机性能的有效途径就是开发并行性，挖掘潜在的并行能力，提高处理、操作并行程度。
2、并行性——解题中，具有可以同时进行运算和操作的特性。
3、并行性实际包含同时性和并发性二重含义。
4、同时性——两个或多个事件在同一时间发生。
5、并发性——两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
6、并行性等级划分：
按执行程序的角度：指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或程序之间；
按处理数据的角度：位串字串、位并字串、位片串字并、全并行；
按信息加工的阶段、步骤的角度：存储器操作并行、处理器操作步骤并行、筛器操作并行、指令（任务、作业）并行。
7、作业或程序间的并行关键在于并行算法，即怎样将有限的硬件、软件资源有效地同时分配给正在解题的多个程序；
任务或进程间的并行主要是如何进行任务分解和同步；
指令间并行主要是处理好指令间存在的相互关联；
指令内部的并行主要取决于硬件和组成设计。
并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例在增大，所以并行性的实现是一个软、硬件功能分配问题，需折衷权衡。随着硬件成本上降、软件成本上升，硬件实现比例在增大。如过去在单处理机中进程、程序的并行，主要是通过操作系统中的进程管理、作业管理、并行语言、并发程序设计等软的方法实现，而在现在多处理机系统中，用能完成多个任务或作业的硬处理机就能完成。
8、位串字串——同时只对一个字的一位进行处理。通常指传统的串行单处理机，没有并行性；
位并字串——同时对一个字的全部位进行处理。通常指传统的并行单处理机，开始出现并行性；
位片串字并——同时对许多字的同一位（位片）进行处理。
全并行——同时对许多字的全部或部分位组进行处理。
9、存储器操作并行——用单体多字、多体单字、多体多字方式在一个存储周期内访问
多个字。进而采用按内容访问方式在一个存储周期内用位片串字并或全并行方式实现对存储器中大量字的高速比较、检索、更新、变换等操作。典型例子：并行存储器系统、以相联存储器为核心的相联处理机；
处理器操作步骤并行——指令的取指、分析、执行，浮点加法的求阶差、对阶、尾加、舍入、规格化等操作执行步骤在时间是重叠流水地进行。典型例子是流水线处理机。
处理器操作并行——通过重复设置大量的处理单元，让它们在同一控制器控制下按同一指令要求对向量、数组中的各元素同时进行操作。典型例子是阵列处理机。
指令、任务、作业并行——指令级以上的并行，是多个处理机对多条指令和相关多数据组进行处理，属多指令流多数据流计算机。前述3种操作级并行是对同一条指令及其相关的数据组进行处理，属单指令流多数据流计算机。
10、开发并行性的途径：时间重叠、资源重复、资源共享。
11、时间重叠——在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠在使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件的周转来赢得速度。时间重叠基本不必重复增加设备就可以提高计算机系统的性价比。例，指令内各操作步骤的重叠流水。
12、资源重复——在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。例，双工系统提高可靠性、阵列处理机提高性能。
13、资源共享——用软件的方法让多个用户按一定的时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率、提高系统性能。资源共享不只是CPU、主存、外设等硬件资源的共享，也包括软件、信息资源的共享。
14、计算机系统的3T性能目标：1TFLOPS计算能力、1TBYTE主存容量、1TBYTE/S 的I/O带宽。
15、计算机系统并行性的发展：
1960年前，算术运算的位并行、运算与I/O操作的并行；
1960-1970年，多道程序分时系统、多功能部件、流水线单处理机；
1970-1980年，VLSI普遍应用，大型、巨型的向量机、阵列机、相联处理机等并行处理系统结构；
1980-1990年，精简指令系统计算机（RISC）、超标量处理机（指令级并行）、超流水线处理机、超长指令字计算机（VLIW）、多微处理机系统、数据流计算机、智能计算机；
1990年后，大规模并行处理（MPP）。多处理机、多向量机、机群系统将是今后并行处理计算机发展的主流。
16、并行处理机的结构，除分布处理、MPP、机群系统外，可以分为流水线计算机、阵列处理机、多处理机、数据流计算机。
17、流水线计算机——主要通过时间重叠，让多个部件在时间上交错重叠地并行执行运算和处理，以实现时间上的并行。流水线计算机主要就解决好拥塞控制、冲突防止、分支处理、指令和数据的相关处理、流水线重组、中断处理、流水线调度、作业顺序控制等问题，尽可能将标量循环运算转成向量运算以消除循环，避免相关。
18、阵列计算机——主要通过资源重复实现空间上的并行。主要解决处理单元灵活规律的互联模式和互联网络设计、存储器组织、数据在存储器中的分布算法、针对具体题目的高效并行算法等问题。
19、多处理机——主要通过资源共享输入输出子系统、数据库资源、共享或不共享主存的一组处理机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件、硬件各级上的相互作用，达到时间、空间上异步并行。多处理机主要解决处理机间互联、存储组织等硬件问题；存储管理、资源分配、任务分解、系统死锁的防止、进程间通讯和同步、多处理机调度、系统保护等操作系统功能；高效并行算法、并行语言的设计等问题。
20、数据流计算机——数据驱动。设有共享变量的概念，不共享存储的数据。指令执行的顺序只受指令中数据的相关性制约。数据以表示某一操作数或参数已准备就绪的数据令牌形式在指令间传递。数据流机主要研究合适的硬件组织和结构、数据流程序图、能高效并行执行的数据流语言、解决目前数据流机存在的某些问题。
21、多机系统包括多处理机系统和多计算机系统。
多处理机系统是由多台处理机组成的单一系统。各处理机都有自己的控制部件，可带本地存储器，能执行各自的程序，受逻辑上统一的操作系统控制。处理机以文件、单一数据、向量、数组等形式交互。全面实现作业、任务、指令、数据的并行；
多计算机系统是由多台独立的计算机组成的系统，各自在逻辑上独立的操作系统控制下运行。机间可不通讯，即使通讯也只是经通道或通信线路以文件或数据集形式进行，实现多个作业间的并行。
22、用耦合度来反映多机系统中各机间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱。有最低耦合、松散耦合、紧密耦合。
最低耦合系统——各种脱机系统。除通过某种存储介质外，机间无物理连接，也无共享的联机硬件资源；
松散（间接）耦合系统——多台计算机通过通道或通信线路互联，共享磁盘、磁带等外围设备，以较低的频带在文件或数据集一级交互。难以满足任务一级的并行处理，适合于仅存处理。一般是非对称型系统；
紧密（直接）耦合系统——多台计算机经总线或高速开关互联，有较高的信息传输速率，可实现数据集级、任务级、作业级并行。可以是非对称型系统，但更多是对称型多处理机系统。
23、计算机系统的分类：弗林分类法、库克分类法、冯式分类法、汉德勒分类法、按执行程序或指令的控制方式分类。
弗林分类法——按指令流、数据流的多倍性分类。分SISD（传统的单处理器计算机、流水线机）、SIMD（阵列处理机、相联处理机）、MISD（处理机间的宏流水、脉动阵列流水机）、MIMD（共享主存的紧耦合多处理机、不共享主存的MSISD从）四类。（指令流——机器执行的指令序列；数据流——由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；多倍性——系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据最大可能的个数）。只能对控制流型机器分类，不能对数据流机分类，对流水线处理机分类也不准确。
库克分类法——按指令流、执行流及其多倍性分类。分SISE（单处理机）、SIME（带多操作部件的处理机）、MISE（带指令级多道程序的单处理机）、MIME（多处理机系统）。
冯式分类法（冯译云）——按数据处理的并行度分类。分为字串位串WSBS（位串行机）、字串位并WSBP（位并行机）、字并位串WPBS（某些相联处理机、阵列处理机）、字并位并WPBP（某些相联处理机、大多数阵列处理机、多处理机）。
汉德勒分类法——在冯式法基础上，基于硬件结构所含可并行处理单元数和可流水处理的级数进行分类。
按执行程序或指令的控制方式分类——分为由控制驱动的控制流方式、由数据驱动的数据流方式、按需求驱动的归约方式、按模式驱动的匹配方式等。
第2章数据表示与指令系统
2．1 数据表示
1、数据表示——能由机器硬件直接识别、引用的数据类型。
2、数据结构——串、队、栈、向量、阵列、链表、树、图等。它反映了应用中各数据元素或信息单元间的结构关系。它通过软件映像变换成机器所具有的数据表示。
3、不同的数据表示可以为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率、方便性不同。数据结构和数据表示是软、硬件的交界面，数据表示的确定实质是软、硬件的取舍。
机器的运算类指令和运算器结构主要是按机器有什么样的数据表示来确定的。
4、高级数据表示：自定义数据表示、向量数组数据表示、堆栈数据表示。
5、自定义数据表示：标志符数据表示、数据描述符。
6、标志符数据表示——为缩短高级语言与机器语言之间的在处理运算符和数据类型时语义差距，让机器中每个数据都带类型标志，将数据类型与数据本身直接联系在一起。这样，机器语言的操作码也就和高级语言中的运算符一样，可以通用于各种数据类型的操作了。
标志符主要用于指明数据类型，也可用于指明信息类型。标志符由编译程序建立，对高级程序员透明。
标志符数据表示的主要优点：
●简化了指令系统和程序设计。由于指令通用于多种数据类型的处理，减少了指令种
类，从而简化了程序设计；
●简化了编译程序。编译系统在处理运算符时，不必进行细致的语义分析，只需形成
通用的运算指令，编译程序缩短、编译过程加快、编译效率提高；
●便于实现一致性校验。一般机器上数据校验由编译软件完成，在此可由硬件直接快
速检测出多种程序设计错误，简化加快了程序的调试；
●能由硬件自动变换数据类型。操作数相容但不同长度，硬件能自行转换，然后运算，
缩短解题时间；
●支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求。程序不用修改即可处理多种不
同类型的数据。一般机器中，指令本身包含数据类型和长度信息，实现数据无关性
非常费事；
●为软件调试和应用软件开发提供了支持。可由软件定义的捕捉标志位设置断点，
便于跟踪和调试。
标志符数据表示可能带来两个问题：
●会增加程序所占主存空间。但设计合理可能减少，因为：一是指令种类减少，缩
短了操作码位数；二是一般一个数据会被多条指令访问，指令单元数会比数据单元
数多；三是因简化了编译系统，使之占空间减少；四是数据类型变换和一致性检查
由硬件完成，不放在目的程序中，节省了目的程序的占用空间。
●会降低指令执行速度。指令执行时因增加了按标志符确定数据类型、判断操作数相
容性操作，所以单条指令的执行速度会下降。
7、数据描述符——为进一步减少标志符所占的存储空间，将数据描述符与数据分开存放。描述符用来描述所要访问的数据是整块的还是单个的、访问数据块、数据元素的地址及其它信息。数据描述符一般包括：用于区分描述符和数据的标志、各种标志位、地址、长度等。
与标志符数据表示的主要区别是：标志符数据表示中标志符与每一个数据相连、合存
于同一个存储单元、描述单个的数据类型特性。
数据描述符方法为向量、数组、阵列、记录等数据结构提供了一定的支持，可以比变址法更快地形成元素地址。但这些数据元素能否并行运算与是否采用标志符无关，只取决于运算器、控制器的结构。
8、向量数组数据表示：在处理向量、数组时，在一般机器上经编译后用变址操作，在向量机（配有向量或阵列运算指令、流水或阵列处理方式的运算器），有时只需一条向量指令（指令格式如：向量加、A向量参数、B向量参数、C向量参数）就能完成任务。
向量参数包括：基地址（向量第一个元素地址）、位移量（基地址加位移量形成初始地址，设置位移量可实现向量的斜排运算）、向量长度（用于校验形成的元素地址越界）、元素步距（向量相邻元素的偏移）。
因向量参数内容多，会使指令字太长，不便编译和存取，多数采用寄存器寻址，只给出存放向量参数的寄存器号。
引入向量数组数据表示的好处：
●快速形成元素地址；
●实现向量元素成块预取到CPU，可用一条向量或数组指令，用硬件判断越界，采
用流水或同时对向量、数组高速并行处理；
●还设有相关型交叉阵列、稀疏向量（大量元素是0的向量）的处理硬件，不但可节
省存储空间，还可以节省处理时间。
9、堆栈数据表示：堆栈数据结构在编译和子程序调用中很有用。
堆栈机器与一般机器对堆栈数据结构的支持差距较大。表现在：
一般机器：
●堆栈操作用的机器指令少、功能单一；
●堆栈置于存储器中，访问堆栈速度低；
堆栈机器：
●有丰富的堆栈操作指令、功能强大；
●用高速寄存器组成硬件堆栈，并辅以控制电路使其与主存中的堆栈区在逻辑上成为
整体，使堆栈访问速度是寄存器的、容量是主存的；
●有力地支持高级语言程序的编译（如，逆波兰表达式）。
●有力地支持子程序的嵌套和递归调用（嵌套调用——子程序调用另一子程序；递归
调用——子程序直接或经过其它子程序间接调用自己）。
10、引入数据表示的原则：
●看系统效率是否提高，即是否减少了实现时间（主要是内存、处理器间传送的信息
量是否减少）、存储空间；
●看通用性和利用率是否提高。
11、浮点数的表示：在机器字长相同时，用浮点数比用定点数的表示实数的范围理会更大。格式一般为（从左到右）：数符、阶码（阶符、阶值）、尾数。阶码可用原码、补码或增码（移码）表示。
浮点数阶值的位数p主要影响可表示数范围的大小，尾数m主要影响精度。
阶码基数为2，以避免对阶造成的精度和有效数值的过多损失。尾数的基数根据情况选择。
12、浮点数尾数基值r m的大小将产生的影响：
●r m增大，可表示数的范围增大；
●r m增大，可表示数的个数增多；
●r m增大，表示的数在数轴上分布变稀（表示比——在相同的阶值位数、尾数位数
情况下，在尾数基值为2时所能表示的最大值内，采用尾数基数大于2时可表示的
浮点数个数与采用尾数基数等于2时可表示的浮点数个数之比）；
●r m增大，可表示数精度下降；
●r m增大，运算中的精度损失变小（运算中的精度损失是运算中尾数右移出机器字
长，使有效数字丢失造成的，它不同于可表示数的精度。r m增大后，对阶移位的
机会和次数减少，数的表示范围扩大，使尾数溢出右规的机会也减少，所以运算中
的精度损失减小）；
●r m增大，运算速度提高（因为，对阶、尾数溢出右移、规格化左移次数减少）。
综上所述，r m增大有好有坏，需要根据应用综合平衡。在巨、大、中型机上，r m宜取大，这样使数的表示范围大、个数多、速度快，因大型机浮点数尾数多，所以实际精度比小、微型机高得多。小、微型r m宜取小，这样尾数位数少，可以提高精度。
2．2 寻址方式
1、寻址方式——指令按什么方式寻找所需要的操作数或信息的。
第 五 章 5.34 在一个采用组相联映象方式的Cache 存储系统中，主存由B 0～B 7共8块组成，Cache 有2组，每组2块，每块大小为16B 。在一个程序执行过程中，访存的主存块地址流为：B 6，B 2，B 4，B 1，B 4，B 6，B 3，B 0，B 4，B 5，B 7，B 3。 (1)写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。 (2)写出Cache 地址的格式，并标出各字段的长度。 (3)指出主存与Cache 之间各个块的映象关系。 (4)若Cache 的4个块号为C 0、C 1、C 2和C 3，列出程序执行过程中的Cache 块地址流。 (5)若采用FIFO 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (6)若采用LRU 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (7)若改为全相联映象方式，再做(5)和(6)。 (8)若在程序执行过程中，每从主存装入一块到Cache ，平均要对这个块访问16次，计算在这种情况下的Cache 命中率。 解：（1）（2）采用组相联映象时，主存和Cache 地址的格式分别为： 主存按Cache 的大小分区，现主存有8个块，Cache 有2×2=4个块，则主存分为8/4=2 个区，区号E 的长度为1位。又每区有2个组，则组号G 、g 的长度都为1位。而每组有2个块，则块号B 、b 的长度又都为1位。每块大小为16个存储字，故块内地址W 、w 的长度都为4位。 （3）根据组相联映象的规则，主存块0～7与Cache 块0～3之间的映象关系为：主存块0、1、4、5与Cache 块0、1之间全相联，主存块2、3、6、7与Cache 块2、3之间全相联。 （4）根据组相联映象的规则，该主存块地址流相应的一种Cache 块地址流如下表所示（组内替换算法为FIFO ）。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块地址流： C 2 C 3 C 0 C 1 C 0 C 2 C 2 C 0 C 0 C 0 C 3 C 2 （5）组内替换算法采用FIFO 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块0 Cache 块1 Cache 块2 Cache 块3 命中 命中 命中 可见命中三次，Cache 块命中率为H i = 3/12 = 0.25。 （6）组内替换算法采用LRU 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。
计算机系统结构的发展历程 课程：高级计算机系统结构 姓名： 学号： 班级：
2015年12月 一、计算机系统结构 随着当今社会和科技的飞速发展，自四十年代计算机问世以来，计算机科学更是发展迅速，应用领域不断扩展计算机的普及和广泛应用，现代社会正朝着高度信息化，自动化方向发展。计算机逐渐成为社会必不可少的支柱力量。 计算机系统是按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。计算机是脑力的延伸和扩充，是近代科学的重大成就之一。计算机系统由硬件系统和软件系统组成。前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统赖以工作的实体。后者是各种程序和文件，用于指挥全系统按指定的要求进行工作。 而计算机系统结构是计算机的的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。其也称为计算机体系结构，它是由计算机结构外特性，内特性，微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。 以最常见的冯诺依曼计算机为例，计算机系统结构包含了以下几个方面： 1.指令集架构（Instruction set architecture；简称ISA）：被视为一种机器语言， 包含了许多相关的指令集（存储器定址、处理器控制，寄存器控制等等……）。 2.微体系结构/微架构（Microarchitecture）或称计算机组织（Computer
计算机系统结构基本习题和答案 填空题 1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。 2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。 3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。 4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。 5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。 6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。 7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。 8、微指令由（硬件）直接执行。 9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。 10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。 11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计)，带来的不利是（无法控制）。 12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。 13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成逻辑设计等。计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。 14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。 15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。 16、设计何种系列机属于（计算机系统结构），系列机内不同型号计算机的组织属于（计算机组成）。 17、是否采用通道方式输入输出的确定属于（计算机系统结构），通道采用结合型还是独立型属于（计算机组成）。 18、对PDP-11或VAX-11来说，单总线结构属于（计算机系统结构），其机器级的I/O连接和使用方式属于（计算机组成）。 19、由于计算机组成和计算机实现关系密切，有人称它们为（计算机实现），即计算机系统的（逻辑实现）和（物理实现）。 20、计算机系统结构可有（由上而下）、（由下而上）和（由中间开始）三种不同的设计思路。 21、“由中间开始”设计的“中间”是指（层次结构中的软硬交界面），目前多数是在（传统机器级）与（操作系统级）之间。 22、除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为（流水线计算机）、（阵列处理机）、（多处理机）、（数据流计算机）四种不同的结构。 23、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分类，这里的多倍性指（系统瓶颈部件上
计算机系统结构试题及答案 一、单项选择题（本大题共20小题，每小题2分，共20分） 1．以下正确的是（）。 A）机箱是计算机的外特性，属系统结构的研究范围 B）集成电路芯片的设计是计算机组成原理的研究范围 C）加法器的设计是计算机实现的研究内容 D）计算机性能评价是计算机系统结构的研究范围 2．在流水线相关处理中，采用（）会产生“写-写”相关和“先读后写”相关。 A）猜测法B）顺序流动 C）异步流动 D）相关专用通路3．非线性流水线是指（） Ａ）存在分叉连接的流水线Ｂ）存在反向连接的流水线 Ｃ）一个任务使用多个功能段的流水线Ｄ）动态连接的流水线4．网络直径与网络的（）有关 A）度B）链路总数 C）结点间通信经过的最多链路数D）通信延迟 5．下列关于存储器的描述，哪个是正确的（） A）多体交叉存储器主要解决扩充容量问题 B）Cache的功能全由硬件完成 C）Cache与主存统一编址，即主存空间的某一部分属于Cache D）“主存—外存”的存储层次是为了弥补主存速度的不足 6．在单指令流多数据流计算机中各处理单元必须（）。 A）以同步方式在同一时间内执行不同的指令 B）以同步方式在同一时间内执行相同的指令 C）以异步方式在同一时间内执行相同的指令 D）以异步方式在同一时间内执行不同的指令 7．虚拟存储器地址变换是指（）。 A）多用户虚地址与实地址如何一一对应 B）程序的逻辑地址变换成主存实地址 C）程序执行时将虚地址变换成对应的实存地址 D）指令的符号地址变换成二进制地址
8．反映网络在理想通信模式下通信带宽的特性是（） A）度B）直径C）带宽总和D）等分带宽 9．依据Michael J.Flynn提出的按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类，Illiac IV计算机属于（）A）SISD B）SIMD C）MISD D）MIMD 10．全相联地址映象是指（）。 A）任何主存页都可装入Cache中任何页的位置 B) 一个虚页只装进固定的主存实页位置 C ) 组之间是固定的，而组内任何主存页可以装入任何Cache页位置 D) 组间可任意装入，组内是固定装入 二、名词解释题（本大题共5小题，每小题4分，共20分）解释每小题所给名词的含义，若解释正确则给分，若 解释错误则无分，若解释不准确或不全面，则酌情扣分。 1．目录表 2．阻塞网络 3. 写直达法 4. 乱序流动 5. 向量链接技术 三、简答题（本大题共4小题，共25分） 1.（5分）存储程序计算机(冯氏机)在系统结构上的主要特点是什么？ 2．（5分）在cache容量一定的情况下,增加cache中的块大小能否达到提高cache命中率的效果?为什么? 3．（5分）解释数据相关（局部相关）与控制相关（全局相关）。 4．（10分）有哪几种向量处理方式？它们对向量处理机的结构要求有何不同？ 四、综合题（本大题共4小题，共35分） 1. (5分)某计算机系统采用浮点运算部件后使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行一程序 的整体性能提高到原来的10倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。
全国2010年4月自学考试计算机系统结构试题 课程代码：02325 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分,共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均不得分。 1．在计算机系统结构设计中，提高软件功能实现的比例可( ) A．提高解题速度B．减少需要的存储器容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 2．浮点数表示的尾数的基r m=16，尾数长度p=8，可表示的规格化最大正尾数的值是( ) A．1／256 B．1／2 C．15／16 D．255／256 3．下列数据存储空间为隐含寻址方式的是( ) A．CPU中的通用寄存器B．主存储器 C．I／O接口中的寄存器D．堆栈 4．当计算机系统执行通道程序完成输入输出工作时，执行通道程序的是( ) A．CPU B．通道 C．CPU和通道D．指定的外设 5．下列有关中断的叙述正确的是( ) A．中断响应的次序是由硬件决定的B．中断处理的次序是由硬件决定的 C．中断处理的次序是不可改的D．中断响应的次序是可灵活改变的 6．与虚拟存储器的等效访问速度无关 ．．的是( ) A．访存页地址流B．页面替换算法 C．主存的容量D．辅存的容量 7．非线性流水线的特征是( ) A．一次运算中使用流水线中的多个功能段 B．一次运算中多次使用流水线中的某些功能段 C．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同 D．流水线的各功能段在不同的运算中可以有不同的连接 8．属于集中式共享存储器结构的SIMD计算机是( ) A．ILLIAC IV B．BSP C．CM-2 D．MP-1 1
计算机系统结构简答题复习（1） 1、如果外设要求的通道实际流量十分接近或等于通道具有的最大流量时， 则可能发生局部的数据丢失问题，我们怎样解决（三种方法）？ 答： 1. 增大通道最大流量。 2. 动态改变设备优先级。 3. 增加一定数量的缓存器，尤其是优先级比较低的设备 2、解决软件移植最好的办法有哪些？ 1.采用系列机 2.采用模拟与仿真 3.采用统一的高级语言 3、证明在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值rm取2或4具有最高 的表数精度 4、假设一条指令的执行过程分为"取指令"、"分析"和"执行"三段，每一段 的时间分别为△t、2△t和3△t。在下列各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。 (1)顺序执行方式。 (2) "取指令"、"分析"和"执行"重叠。 计算机系统结构简答题复习（2） 5、RISC处理机的关键技术有哪四种？ 1. 延时转移技术 2. 指令取消技术 3. 重叠寄存器窗口技术 4. 指令流调整技术 6、多处理机有那些基本特点？发展这种系统的主要目的有哪些？多处理机 着重解决那些技术问题？ 1. 结构灵活 2. 程序并行 3. 并行任务派生 4. 进程同步 5. 多处理机工作时，要根据任务的多少来调用资源，因此，所需要的资源变化复杂 目的是：利用多台处理机并发执行一个作业，使得执行速度比单处理机块着重解决的问题 着重解决的技术问题：
1. 硬件结构上多处理机，主存，I/O子系统之间应有高带宽，低价格，灵活无规则互联，尽可能不发生信息传送冲突 2. 从并行语言并行算法编译等，最大限度的开发程序并行性 3. 大的任务如何分成多个子任务 4. 从操作系统上解决并行任务分配，调度和资源分配；任务或进程间的同步，死锁竞争等问题的解决 7、向量的处理方式有哪三种？各有何特点？ 1. 横向处理方式。向量计算是按行的方式从左至右横向地进行。 2. 纵向处理方式。向量计算是按列的方式自上而下纵向地进行。 3. 纵横处理方式。横向处理和纵向处理相结合的方式。 8、向量处理机实现链接的条件是什么？ 1.没有向量寄存器冲突和运算部件冲突。 2. 只有第一个结果送入向量寄存器的那一个周期可以链接。 3. 先行的两条指令产生运算结果的时间必须相等。 4.两条向量指令的向量长度必须相等。 9、提高向量处理机性能的常用技术有那些？ 1．链接技术 2.向量循环或分段开采技术 3. 向量递归技术 4.稀疏矩阵的处理技术 10、列出互连网络中四种寻径方式？并指出它们各自优缺点? 1.线路交换。在传递一个信息前需要频繁的建立从源结点到目地结点的物理通路，开销将会很大。 2.存储转发寻址。包缓冲区大，不利于VLSI的实现；时延大，与结点的距离成正比 3.虚拟直通。没有必要等到整个消息全部缓冲后再做路由选择，只要接收到用作寻址的消息头部即可判断，通信时延与结点数无关；同样不利于VLSI 的实现。 4.虫蚀寻址。每个结点的缓冲区小，易于VLSI实现；较低的网络时延。 计算机系统结构简答题复习（3） 11、采用并行处理机的SIMD 计算机主要特点是什么？▲ 1.速度快，而且潜力大 2.模块性好，生产和维护方便 3.可靠性高，容易实现容错和重构 4.效率低。与流水线处理机，向量处理机等比较。依靠是资源重复，而 不是时间重叠，所以其效率要低一些。 5.潜力大。主要依靠增加PE个数，与流水线处理机主要依靠缩短时钟 相比，其提高速度的潜力要大得多。
第五章练习 1、描述计算机系统流水线的性能指标有哪些？其定义和定量表达式是什么？ 指标主要有吞吐率、加速比、效率。 (1)吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。 基本公式：TP=n/Tk，其中，n是任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间。 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的实际吞吐率为：TP=n/[(k+n-1) ?t] (2)加速比：完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。 基本公式：S=T0/Tk，其中，T0为不使用流水线所用的时间，Tk为使用流水 线的执行时间。 各个功能段执行时间均相等的一条K段流水线完成n个连续任务时的实际加速比为：s=k*n*?t/[(k+n-1) ?t]=k*n/( k+n-1). (3)效率：指流水线的设备利用率。 在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。即：E=T0/(k*Tk) 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的效率为：E=n/(k+n-1) 2、假设某个流水线由4个功能部件组成，每个功能部件的执行时间都为?t。当 连续输入10个数据后，停顿5?t，又连续输入10个数据，如此重复。 画出时空图，计算流水线的实际吞吐率，加速比和效率。 总时间：Tk=[（4+10-1）+2] *?t*n =15n*?t 实际吞吐率:TP=N/Tk=10n/(15n*?t)=2/(3?t) 不使用流水线所用的时间为T0=4*N*?t =40n*?t 加速比：S=T0/Tk=2.67 效率：E=T0/(k*Tk)=0.67
计算机系统结构发展历程及未来展望 一、计算机体系结构 什么是体系结构 经典的关于“计算机体系结构（computer A 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体 系结构主要指机器语言级机器的系统结构。计算机体系结构就是适当地组织在一起的 一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完 成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现所需要的 逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的电子设备和提供外部世界功能的电子 机械设备(例如传感器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者；数据库 是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特定使 用方法或系统驻留的过程性语境。 体系结构原理 计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计 算机组成、计算机实现是不同的概念。一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可 能有多种物理实现。 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所 希望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并 行度、设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。计算机组成 的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配 等技术以及相关的制造工艺和技术。 主要研究内容 1·机内数据表示：硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 2·寻址方式：最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 3·寄存器组织：操作寄存器、变址寄存器、及专用寄存器的定义、数量和使用规则 4·：指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 5·：最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间 6·中断机构：中断类型、中断级别，以及中断响应方式等
计算机系统结构试题及答案 一、选择题（50分，每题2分，正确答案可能不只一个，可单选 或复选） 1.（CPU周期、机器周期）是内存读取一条指令字的最短时间。 2.（多线程、多核）技术体现了计算机并行处理中的空间并行。 3.（冯?诺伊曼、存储程序）体系结构的计算机把程序及其操作数 据一同存储在存储器里。 4.（计算机体系结构）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具 有的属性，其实质是确定计算机系统中软硬件的界面。 5.（控制器）的基本任务是按照程序所排的指令序列，从存储器取 出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作。 6.（流水线）技术体现了计算机并行处理中的时间并行。 7.（数据流）是执行周期中从内存流向运算器的信息流。 8.（指令周期）是取出并执行一条指令的时间。 9.1958年开始出现的第二代计算机，使用（晶体管）作为电子器件。 10.1960年代中期开始出现的第三代计算机，使用（小规模集成电路、 中规模集成电路）作为电子器件。 11.1970年代开始出现的第四代计算机，使用（大规模集成电路、超 大规模集成电路）作为电子器件。 12.Cache存储器在产生替换时，可以采用以下替换算法：（LFU算法、 LRU算法、随机替换）。
13.Cache的功能由（硬件）实现，因而对程序员是透明的。 14.Cache是介于CPU和（主存、内存）之间的小容量存储器，能高 速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。 15.Cache由高速的（SRAM）组成。 16.CPU的基本功能包括（程序控制、操作控制、时间控制、数据加 工）。 17.CPU的控制方式通常分为：（同步控制方式、异步控制方式、联合 控制方式）反映了时序信号的定时方式。 18.CPU的联合控制方式的设计思想是：（在功能部件内部采用同步控 制方式、在功能部件之间采用异步控制方式、在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式）。 19.CPU的同步控制方式有时又称为（固定时序控制方式、无应答控 制方式）。 20.CPU的异步控制方式有时又称为（可变时序控制方式、应答控制 方式）。 21.EPROM是指（光擦可编程只读存储器）。 22.MOS半导体存储器中，（DRAM）可大幅度提高集成度，但由于（刷 新）操作，外围电路复杂，速度慢。 23.MOS半导体存储器中，（SRAM）的外围电路简单，速度（快），但 其使用的器件多，集成度不高。 24.RISC的几个要素是（一个有限的简单的指令集、CPU配备大量的 通用寄存器、强调对指令流水线的优化）。
计算机体系结构试题库 简答题（100题） 1．简述CISC结构计算机的缺点。 答： ●在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，有20％的指 令使用频率最大，占运行时间的80％。也就是说，有80％的指令在20％的运行时 间内才会用到。 ●CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制 时间和成本，而且还容易造成设计错误。 ●CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。 ●CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 ●在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计 算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 2．RISC结构计算机的设计原则。 答： A.选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令； B.每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成； C.所有指令长度均相同； D.只有load和store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； E.以简单有效的方式支持高级语言。 3．影响现代微处理器主频提升的主要原因由哪些？ 答：线延迟、功耗。 4．指令集格式设计时，有哪三种设计方法？ 答：固定长度编码、可变长编和混合编码）三种设计方法。
5．简述存储程序计算机（冯·诺依曼结构）的特点。 答： （1）机器以运算器为中心。 （2）采用存储程序原理。 （3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。 （4）控制流由指令流产生。 （5）指令由操作码和地址码组成。 （6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。 6．在进行计算机系统设计时，一个设计者应该考虑哪些因素对设计的影响？ 答： 在进行计算机系统设计时，设计者应该考虑到如下三个方面因素的影响： ●技术的发展趋势； ●计算机使用的发展趋势； ●计算机价格的发展趋势。 7．简述程序翻译技术的特点。 答： 翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。 8．简述程序解释技术的特点。 答： 解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。 9．经典体系结构的定义是什么？ 计算机体系结构是机器级程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。10．“线延迟墙”指的是什么？
计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1) 电路技术的发展；(2) 计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) -> 第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl 提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的 各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c ）假定两台计算机x 、y；x 比y 快意思为：对于给定任务，x 的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x / 响应时间y = n ，响应时间与性能成反比。
第1 章系统结构的基本概念 1、为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构?P2 2、从机器（汇编）语言程序员的角度来看，以下哪些是不透明的？为什么？ 条件码寄存器、磁盘外设、先行进位链、中断寄存器、移位器、I/O端口寄存器 3、就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些(03.7)?P3 4、设计指令系统时，以乘法运算为例，简述系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现 各应考虑的问题(09.4)。P4 5、简述在设计主存系统时，计算机系统结构、计算机组成、计算机实现各需要考虑的问题 (08.7)。P4 6、简述计算机系统结构、组成和实现三者的相互关系(03.4)。 7、计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点?P7 8、简述软硬件功能分配的基本原则(06.7)。P8 9、简述计算机系统“由中间开始”设计的基本思想(05.4)其“中间”指的是什么地方？这样 设计的优点是什么(05.7) (07.7)？ 10、试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题?P9 11、什么是软件的可移植性（03.7）？为什么要进行软件移植?P10 12、简述采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。 13、简述统一高级语言的出发点、难点和发展前景(04.4)。 14、采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略P11 15、采用模拟与仿真方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略。 16、模拟与仿真的主要区别和适合场合是什么(02.4)? 17、软件移植的途径，各受什么限制(08.4)?P14 18、器件的发展对逻辑设计方法的影响（06.4）。P17 19、什么是计算机系统的并行性、开发并行性的目的和两重含义（02.7）？P19 20、从执行程序角度出发，简述并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例P19 21、从处理数据的并行上，简述并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例P19 22、简要解释提高计算机系统并行性的三个技术途径(07.4)，简要解释并举例说明。P20 23、简述计算机系统Flynn分类法的分类角度及类别，并说明各类别的特征(04.7) (09.7)。第2 章数据表示、寻址方式与指令系统 1、数据结构和机器的数据表示之间的关系?引入数据表示的基本原则?P27 2、简述标志符数据表示的主要优点(02.4)。P29 3、标识符数据表示与描述符数据表示有什么不同？ 4、使用标志符数据表示会带来什么问题？对此应如何认识。 5、数据描述符和向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同?P30 6、堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别?堆栈型机器对程序调用的哪些操作提供支持?P32 7、以浮点数数据表示说明数的可表示精度、运算中的精度损失，尾数基值取小对哪个有利
第一章计算机系统结构的基本概念 历年真题精选 1. 下列对系统程序员不透明的是（）。 A. 乘法器 B. 先行进位链 C. 指令缓冲器 D. 条件码寄存器2．“从中间开始”设计的“中间”目前多数是在（ D ）。 A. 微程序机器级与汇编语言机器级之间 B. 操作系统机器级与汇编语言机器级之间 C. 传统机器语言机器级与微程序机器级之间 D. 传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 3. 开发计算机系统结构并行性的主要技术途径有时间重叠、（资源重复）和（资源 共享）。 4. 计算机系统弗林分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流（SISD）、单指令流多数 据流（SIMD）、（多指令流单数据流（MISD））和（多指令流多数据流（MIMD））四大类。 5. 设计指令系统时，以乘法运算为例，简述系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现 各应考虑的问题。（P4） 6. 实现软件移植的途径有哪些？各受什么限制？（P14） 同步强化练习 一．单项选择题。 1. 实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（ C ）。 A. 编译程序翻译 B. 编译程序解释 C. 汇编程序翻译 D. 汇编程序解释
2. 系列机软件应做到（ B ） A. 向前兼容，并向下兼容 B. 向后兼容，力争向上兼容 C. 向前兼容，并向上兼容 D. 向后兼容，力争向下兼容 3. 在计算机系统多级层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正确的应当是（ B ）。 A. 传统机器语言、汇编语言、操作系统 B. 微程序、传统机器语言、高级语言 C. 高级语言、汇编语言、传统机器语言 D. 传统机器语言、应用语言、高级语言 4. 可以直接执行微指令的是（ C ）。 A. 编译程序 B. 微程序 C. 硬件 D. 汇编程序 5. 计算机系统结构不包括（ A ）。 A. 主存速度 B. 数据表示 C. 机器工作状态 D. 信息保护 6. 对计算机系统结构透明的是（）。 A. 是否使用通道型I/0处理机 B. 虚拟存储器 C. 字符行运算指令 D. VLSI技术 7. 在主存设计上，属计算机系统结构考虑的应是（ C ）。 A. 频宽的确定 B. 多体交叉还是单体 C. 容量和编址单位 D. 用MOS还是TTL 8. 计算机组成设计不考虑（ B ）。 A. 缓冲技术 B. 功能部件的集成度 C. 专用部件设置 D. 控制机构的组成 9. 下列说法中不正确的是（ D ） A. 硬件的生产费用比软件的生产费用高 B.软件设计费用比软件重复生产费用高 C. 硬件功能只需实现一次而软件功能可能要多次重复实现 D. 硬件实际费用比软件设计费用低
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。 指令的静态调度： 是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期分时流出多条指令。 多级存储层次： 采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
计算机系统结构期末考试试题及其答案
《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对(B )是透 明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位
置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写 后读的数据相关，则（B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是 （C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页
计算机系统结构的研究现状 课程：计算机系统结构 学号： 班级： 姓名：
计算机体系结构是选择并相互连接硬件组件的一门科学和艺术，在人们不断探索研究的过程中，一直在追求计算机的功能、性能、功率以及花费的高度协调，以期达到各方面的最佳状态，在花费、能量、可用性的抑制下，实现计算机的多功能、高性能、低功率、少花费的一个新时代。根据当前体系结构的发展现状，要实现以上全部要求的一台计算机，还存在着诸多的限制条件，包括逻辑上的以及硬件上的。计算机的体系结构范围很广，定义也很宽泛，它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等，同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心，体系结构一直在不断地朝前发展。 纵观计算机体系结构一路发展的历史，从60年代中期以前，最早的体系结构发展的早期时代，计算机系统的硬件发展很快，通用硬件已经很普遍，但是软件的发展却很滞后，刚刚起步，还没有通用软件的概念。从60年代中期到70年代中期，体系结构有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次，但是此时的软件由于个体化特性很难维护，出现了“软件危机”。从20世纪70年代中期开始，分布式系统开始出现并流行，极大地增加了系统的复杂性，出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展已经进入了第四代，硬件和软件得到了极大的综合利用，迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机／服务器(或浏览器／服务器)环境，新的技术不断涌现出来。尽管如此，计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展，不仅仅在专业领域，越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。 计算机科学与技术是一门实用性很强、发展极其迅速的面向广大社会的技术学科，它建立在数学、电子学 (特别是微电子学)、磁学、光学、精密机械等多门学科的基础之上。但是，它并不是简单地应用某些学科的知识，而是经过高度综合形成一整套有关信息表示、变换、存储、处理、控制和利用的理论、方法和技术。 计算机科学是研究计算机及其周围各种现象与规模的科学，主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件和人工智能等。计算机技术则泛指计算机领域中所应用的技术方法和技术手段，包括计算机的系统技术、软件技术、部件技术、器件技术和组装技术等。计算机科学与技术包括五个分支学科，即理论计算机科学、计算机系统结构、计算机组织与实现、 理论计算机科学包括自动机论、形式语言理论、程序理论、算法分析，以及计算复杂性理论等。自动机是现实自动计算机的数学模型，或者说是现实计算机程序的模型，自动机理论的任务就在于研究这种抽象机器的模型；程序设计语言是一种形式语言，形式语言理论根据语言表达能力的强弱分为O～3型语言，与图灵机等四类自动机逐一对应；程序理论是研究程序逻辑、程序复杂性、程序正确性证明、程序验证、程序综合、形式语言学，以及程序设计方法的理论基础；算法分析研究各种特定算法的性质。计算复杂性理论研究算法复杂性的一般性质。
1.层次结构由高到低分别为应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统 系统要有高的性能价格比。它主要从实现费用速度和其它性能要求来综合权衡。2)要考虑到准备采用和可能采用的组成技术使它仅可能不要过多或不合理地限制各种组成，实现技术的采用。3)为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持方在首位。应当进一步缩短高级语言，操作系统与计算机系统结构以及程序设计环境（如模块化，数据类型抽象）等计算机系统结构之间存在的语义差距。 3．软件的可移植性指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。1)既大大减少编制软件的工作量，又能迅速用上新的硬件技术。2)更新系统，让新系统立即发挥效能。 4．实现软件移植的几个基本技术：1)统一高级语言2)采用系列机3)模拟与仿真 5．并行性：把解题中具有可以同时进行运算或操作的特性。并行性实现包含同时性和并发性二重含义。同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并行性的途径：时间重叠，资源重复和资源共享等。 6．除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特性可以分为流水线计算机，阵列处理机，多处理机和数据流计算机四种不同的结构。 7．数据表示指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型是数据结构的组成元素。数据结构是指通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现。区别和联系：1)都是数据类型的子集2)数据表示以外的数据类型都是数据结构的研究对象3)是软硬件的分界面。8．自定义（self-defining）数据表示包括标志符数据表示和数据描述符两类。 9.数据描述符和标志符的差别是-标志符与每个数据相连，合存于同一存储单元，描述单个数据的类型特性；描述符是与数据分开存放，用于描述所要访问的数据是整块的还是单个的，访问该数据块或数据元素所要的地址以及其他信息等。 10．引入数据表示的原则：1）缩短程序运行的时间。2)减少CPU与主存的通信量。3）提高这种数据通用性和利用率。 11．寻址方式指的是指令按什么方式寻找（或访问）到所需要的操作数或信息的。 12．逻辑地址是程序员编程用的地址。主存物理地址是程序在主存中的实际地址。逻辑地址空间和物理地址空间是不一致的。进行程序的定位：当程序装入主存时，就需要进行逻辑地址空间到物理地址空间的转换。定位方式分为：直接，间接和静态。 13．操作码的优化：指令由操作码和地址码两部分组成。指令格式的优化指的是如何用最短的位数来标识指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。 14．复杂指令系统计算机（CISC）：增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原