第二章 多机系统结构1

第二章数据表示与指令系统1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确立和引入数据表示的基来源则是什么？答：数据表示是能由硬件直接辨别和引用的数据种类。

数据构造反应各样数据元素或信息单元之间的构造关系。

数据构造要经过软件映象变换成机器所拥有的各样数据表示实现，所以数据表示是数据构造的构成元素。

不一样的数据表示可为数据构造的实现提供不一样的支持，表此刻实现效率和方便性不一样。

数据表示和数据构造是软件、硬件的交界面。

除基本数据表示不可以少外，高级数据表示的引入依照以下原则：（1）看系统的效率有否提升，能否养活了实现时间和储存空间。

（2）看引入这类数据表示后，其通用性和利用率能否高。

2.标记符数据表示与描绘符数据表示有何差异？描绘符数据表示与向量数据表示对向量数据构造所供给的支拥有什么不一样？答：标记符数据表示与描绘符数据表示的差异是标记符与每个数据相连，合存于同一储存单元，描绘单个数据的种类特征 ; 描绘符是与数据分开寄存，用于描绘向量、数组等成块数据的特色。

描绘符数据表示为向量、数组的的实现供给了支持，有益于简化高级语言程序编译中的代码生成，能够比变址法更快地形成数据元素的地点。

但负阶，最小为 0)最大阶(2^p-1)最小尾数值(rm^(-1))最大尾数值(1-rm^(-m'))可表示的最小值可表示的最大值阶的个数(2^p)可表示的尾数的个数可表示的规格化数的个数note:2^6-12^6-12^6-11/21/81/161-2^(-48)1-8^(-16) ，即(1-2^(-48)) 1-16^(-12)，即(1-2^(-48))1/21/81/162^63*(1-2^(-48))8^63*(1-8^(-16))16^63*(1-16^(-12))2^62^62^62^48*(2-1)/28^16*(8-1)/816^12*(16-1)/16 2^6*2^48*(2-1)/22^6*8^16*(8-1)/82^6*16^12*(16-1)/16描绘符数据表示其实不支持向量、数组数据构造的高效实现。

第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。

位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。

位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。

全并行的例子有：阵列处理机ILLIACIV。

从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。

存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。

例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。

处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。

例子有流水线处理机。

处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。

擅长对向量、数组进行处理。

例子有阵列处理机。

指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。

例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。

并行性的开发途径有时间重叠(Time Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。

时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。

例子有流水线处理机。

资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。

例子有阵列处理机，相联处理机。

资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。

例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。

SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。

第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。

位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。

位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。

全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。

从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。

存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。

例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。

处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。

例子有流水线处理机。

处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。

擅长对向量、数组进行处理。

例子有阵列处理机。

指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。

例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。

并行性的开发途径有时间重叠(Time Interleaving)，资源重复(ResourceReplication)，资源共享(Resource Sharing)。

时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。

例子有流水线处理机。

资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。

例子有阵列处理机，相联处理机。

资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。

例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。

SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。

计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、计算机系统结构概念1.1 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。

*注意：对不同层次上的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。

1.2 计算机系统的层次结构现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。

现代计算机结构图*注意：计算机结构的层次模型依据计算机语言广义的理解，可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。

从语言层次上画分可得下图：计算机结构的层次模型1.3计算机系统结构组成与实现计算机系统结构：是计算机系统的软件与硬件直接的界面计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系：计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同，而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。

因此，计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术，不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。

计算机组成与计算机实现可以折衷，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。

应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。

1.4 计算机系统结构的分类计算机结构分类方式主要有三种：（1）按“流”分类按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法，它是按照计算机中指令流（Instruction Stream）和数据流（Data Stream）的多倍性进行分类。

指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流调用的数据序列。

多倍性是指在计算机中最受限制（瓶颈最严重）的部件上，在同一时间单位中，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。

*注意：按“流”分类法，即Flynn分类法的逻辑结构类型：①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机（2）按“并行性”和“流水线”分类（3）按计算机系统结构的最大并行度进行分类1.5计算机系统的设计与实现随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。

计算机体系结构各章简答题及答案第⼀章计算机体系结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的？3. 经典计算机系统结构的实质是什么？4. 语⾔实现的两种基本技术是什么？5. 对于通⽤寄存器型机器来说，机器语⾔程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？6. 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？7. 什么是系列机它的出现较好地解决了什么⽭盾？8. 对计算机发展⾮常关键的实现技术有哪些？9. 实现软件移植的主要途径有哪些？10. 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。

11. 存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？12. 从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两⽅⾯着⼿？13. 软件技术两个最重要的发展趋势是什么？14. 计算机系统设计⼈员的技术挑战主要来⾃哪⼏个⽅⾯？15. ⼀种计算机系统结构的⽣命周期是怎样的？16. 商品的标价（价格）由哪些因素构成？17. 对计算机系统成本产⽣影响的主要因素有哪些？18. ⽤户CPU时间由哪三个因素决定？19. ⽬前常⽤的测试程序分为哪五类？20. 什么叫测试程序组件在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？21. SPEC2000测试程序组件中包括哪⼏个测试程序组件？22. 测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常⽤测试组件有哪些？23. 常⽤的专门的性能指标测试程序有哪些？24. 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25. 根据Amdahl定律，系统加速⽐由哪两个因素决定？26. 从执⾏程序的⾓度看，并⾏性等级从低到⾼可分为哪⼏级？27. 从处理数据的⾓度，并⾏性等级从低到⾼可以分为哪⼏级？28. 计算机系统中提⾼并⾏性的技术途径有哪三种？29. 多机系统的耦合度可以分为哪⼏类？30. 单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？31. 三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么1. 什么是计算机系统的多级层次结构从计算机语⾔的⾓度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的硬件和软件在功能实现上是等效的，即⼀种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

…第1章计算机系统结构的基本概念解释下列术语层次结构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

虚拟机：用软件实现的机器。

翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

【解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

《计算机实现：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，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

/CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

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。

第二章机体组及曲柄连杆机构功用：曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。

工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。

总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。

通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。

工作条件：发动机工作时，曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。

可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。

组成：曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。

第一节曲柄连杆机构中的作用力及力矩作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力。

气体力作用于活塞顶上，在活塞的四个行程中始终存在，但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力。

气体力通过连杆、曲柄销传到主轴承。

气体力同时也作用于气缸盖上，并通过气缸盖螺栓传给机体。

作用于活塞上和气缸盖上的气体力大小相等、方向相反，在机体中相互抵消而不传至机体外的支承上，但使机体受到拉伸。

曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动质量组成的当量系统。

往复运动质量包括活塞组零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴线作往复变速直线运动，产生往复惯性力；旋转运动质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量，它绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，也称离心力。

往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承。

第二节机体组一、机体组的功用及组成现代汽车发动机机体组主要由机体、气缸盖、气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组成。

镶气缸套的发动机，机体组还包括干式或湿式气缸套。

机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。

第二章习题（P69-70）一、复习题1．简述冯∙诺依曼原理，冯∙诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？答：冯∙诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。

这3条合称冯∙诺依曼原理OgtiojD。

冯∙诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。

(P51-P54)r1fI4bu。

2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。

答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。

计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。

同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。

计算机实现，是计算机组成的物理实现,就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。

计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。

在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。

(P47-P48)28BoSAn。

3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。

(P55)4．简述RISC技术的特点？答：从指令系统结构上看，RISC体系结构一般具有如下特点：(1)精简指令系统。

可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;hJslBtf。

第一章电脑体系结构的基本概念1.电脑系统结构的经典定义程序员所看到的电脑属性，即概念性结构与功能特性。

〔电脑组成：指电脑系统结构的逻辑实现。

电脑实现：电脑组成的物理实现〕2.电脑系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在电脑技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好似不存在的概念称为透明性。

4.编译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。

6.常见的电脑系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法〔按系统并行度P m:计算机系统在单位时间内能处理的最大二进制位数〕进行分类。

Flynn分类法把电脑系统的结构分为4类：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)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流，DS数据流，CS〔控制流〕，CU〔控制部件〕，PU〔处理部件〕，MM，SM〔表示存储器〕7.电脑设计的定量原理：1.大概率事件优先原理〔分配更多资源，到达更高性能〕2.Amdahl定理：加速比：S n=T0(加速前）T n（加速后）=1(1−Fe)+Fe/Se(Fe为可改良比例〔可改良部分的执行时间/总的执行时间〕，Se为部件加速比〔改良前/改良后〕3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。

空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。

4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：电脑系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。

同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。