计算机系统结构复习材料

1 考试题型

一、单项选择题（本题共10小题，每小题2分，共20分）

二、名词解释（本题共4小题，每小题3分，共12分）

三、判断题（本题共13小题，每小题1分，共13分）

四、简答（本题共5小题，每小题5分，共25分）

五、应用题（本大题共3小题,每小题10分，共30分）

第一章 计算机系统结构概论

一、系统结构(名词解释)：从计算机系统的层次结构定义，系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。每级都有其自己的系统结构。

二、透明性(名词解释)：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，简称透明。不同机器级程序员所看到的计算机属性是不同的，它就是计算机系统不同层次的界面。

三、组成(名词解释)

1.计算机组成的定义：计算机组成（又称计算机设计）是指计算机系统的逻辑实现。包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能以及各部件间的联系。

2.计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比，最佳、最合理的把各种设备和部件组成计算机，以实现所确定的计算机系统结构。对传统机器程序员来说，计算机组成的设计内容一般是透明的。

3.计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。

(1)数据通路宽度：数据总线上一次并行传送的信息位数。

(2)专用部件的设置：是否设置乘除法、浮点运算、字符处理、地址运算等专用部件，设置的数量与机器要达到的速度、价格及专用部件的使用频度等有关。

(3)各种操作对部件的共享程度：分时共享使用程度高，虽限制了速度，但价格便宜。设置部件多降低共享程度，因操作并行度提高，可提高速度，但价格也会提高。

(4)功能部件的并行度：是用顺序串行，还是用重叠、流水或分布式控制和处理。

(5)控制机构的组成方式：用硬联还是微程序控制，是单机处理还是多机或功能分布处理。

(6)缓冲和排队技术：部件间如何设置及设置多大容量的缓冲器来协调它们的速度差；用随机、先进先出、先进后出、优先级，还是循环方式来安排事件处理的顺序。

(7)预估、预判技术：为优化性能用什么原则预测未来行为。

(8)可靠性技术：用什么冗余和容错技术来提高可靠性。

四、计算机实现：计算机实现指的是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，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。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。

五、以下是判断哪些是计算机组成、系统结构、实现、透明(判断题)

1.计算机组成：

(1) 指令的实现，如取指令、指令操作码译码、计算操作数地址、取数、运算、送结果等的操作安排和排序 2 (2)乘法指令是用专门的高速乘法器实现，还是靠用加法器和移位器经一连串时序信号控制其相加和右移来实现

(3)为达到性能价格要求，主存速度应该为多少，逻辑结构是否采用多体交叉

2.计算机系统结构：

(1)指令系统的确定

(2)确定指令系统中是否要设乘法指令

(3)按位、按字节还是按字访问等的确定

3.计算机实现：

(1)实现指令功能的具体电路、器件的设计及装配技术

(2)乘法器、加法-移位器的物理实现，如器件的类型、集成度、数量、价格，微组装技术的确定和选择

(3)主存器件的选定、逻辑设计、微组装技术的使用

六、软、硬件取舍的基本原则(简答题)

1.确定软、硬件功能分配的第一个基本原则:考虑在现有硬、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。

2.确定软、硬件功能分配的第二个基本原则：要考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽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.确定软、硬件功能分配的第三个基本原则：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进展，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提供更多更好的硬件支持放在首位。

七、软件的可移植性(简答题)：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。

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.模拟和仿真

1.统一高级语言：实现软件移植的一种技术是如何统一高级语言，设计出一种完全通用的高级语言，为所有程序员所使用。

2.系列机:在软、硬件界面上,设定好一种系统结构(系列机中称系列结构)，其后，软件设计者按此设计软件，硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同器件、硬件和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。

3.模拟与仿真：B机器的每条机器指令用A机器一段机器语言程序解释，如同A机器上也有B机器的指令系统一样。这种用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟。进行模拟的A机器称为宿主机，被模拟的B机器称为虚拟机。用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法就称为仿真。

八、并行性开发的途径:开发并行性的途径有时间重叠、资源重复和资源共享等。

(1)时间重叠:是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，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。

(2)资源重复:是在并行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。（并行性的同时性）

(3)资源共享是用软件的方法让多个用户共用同一套，通过提高系统的利用率来提高系统的性能和效率。

九、计算机系统的分类——弗林分类法(判断、选择):弗林提出按指令流和数据流的多倍性对计算系统分类。

1.指令流：指令流是指机器执行的指令序列。

2.数据流：数据流是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。

3.多倍性：多倍性是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

4.弗林分类法的四种类型

(1)单指令流单数据流

(2)单指令流多数据流 3 (3)多指令流单数据流(MISD);

(4)多指令流多数据流(MIMD)。

课后：P29-30

1-6什么是透明性概念？对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？

存储器的模m交叉存取；浮点数据表示；I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；数据总线宽度；字符行运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；PDP-11系列的单总线结构；访问方式保护；程序性中断；串行、重叠还是流水控制方式；堆栈指令；存储器最小编址单位；Cache存储器。

答：透明：指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。

透明的有：存储器的模m交叉存取；数据总线宽度；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；PDP-11系列的单总线结构串行、重叠还是流水控制方式；Cache存储器。

不透明的有：浮点数据表示；I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；字符行运算指令；访问方式保护；程序性中断；；堆栈指令；存储器最小编址单位。

1-7从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？

指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器。

答： 透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先进先出链、移位器、主存地址寄存器。

1-8下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？

系列机各档不同的数据通路宽度；虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；

“启动I/O”指令；“执行”指令；指令缓冲器。

答：①对系统程序员和应用程序员均透明的：是全用硬件实现的计算机组成所包含的方面。有：数据通路宽度、Cache存储器、指令缓冲器。

②仅对应用程序员透明的：是一些软硬件结合实现的功能。有：

虚拟存储器、程序状态字、“启动I/O”指令。

③均不透明的：

“执行”指令。

1-11想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想是可以考虑的，哪些则不行的？为什么？

(1)新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务处理程序的编译。

(2)为增强中断处理功能，将中断分级由原来的4级增加到5级，并重新调整中断响应的优先次序。

(3)在CPU和主存之间增设Cache存储器，以克服因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。

(4)为解决计算误差较大，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为用ROM存取下溢处理结果的查表舍入法。

(5)为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原等长操作码指令改为有3类不同码长的扩展操作码；将源操作数寻址方式由操作码指明改成如VAX-11那种设寻址方式位字段指明。

(6)将CPU与主存间的数据通路宽度由16位扩展成32位，以加快主机内部信息的传送。

(7)为减少公用总路线的使用冲突，将单总线改为双总线。

(8)把原0号通用寄存器改作堆栈指示器。

答：可以考虑的有：1,3,4,6,7。不可以考虑的有：2,5,8。

原则是看改进后能否保持软件的可移植性。

P.S.为了能使软件长期稳定，就要在相当长的时期里保证系统结构基本不变，因此在确定系列结构时要非常慎重。其中最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示及概念性结构。 4 既要考虑满足应用的各种需要和发展，又要考虑能方便地采用从低速到高速的各种组成的实现技术，即使用复杂、昂贵的组成实现时，也还能充分发挥该实现方法所带来的好处。

1-13开发计算机系统并行性的主要技术途径有哪三个？沿这些途径分别发展出了什么类型的多处理机系统？

答：开发并行性的途径有时间重叠、资源重复和资源共享

沿时间重叠发展出多处理机宏流水系统，一般是非对称异构型多处理机系统。

沿资源重复发展出多处理机系统一般是对称、同构型多处理机系统

沿资源共享途径发展出多处理机系统一般是同构性或同构型的多处理机

1-15计算机系统的3T性能目标是什么？

答： 计算机系统的3T性能目标是 1TFLOPS计算能力 ， 1TBYTE主存容量 和 1TBYTES的I/O带宽

第二章 数据表示、寻址方式与指令系统

一、数据表示与数据结构

1.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。

2.数据结构:是反映了面向应用所要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系。如串、队、栈、向量、阵列、链表、树、图等是软件系统所要处理的各种数据结构。

3.引入数据表示的原则(简答题):

①一是看系统的效率是否提高，即是否减少了实现时间和存储时间。

② 是否引入某种高级数据表示的另一方面是看引入这种数据表示后， 其通用性和利用率是否高。

二、尾数基值的判断

1.浮点数尾数基值的表示

用rm来表示其浮点数尾数的基。

基rm的尾数位数m′：在机器中，一个rm进制的数位是用┌log2rm┐个机器位数来表示，尾数的机器位数为m时，相当于rm进制的尾数共有m′个数位:m’=m/┌log2rm ┐

例如，rm=2 时，m’=m; rm=10 时，m’=m/4。