计算机系统结构考试各章总结

第一章

1.计算机系统层次结构：第0级和第1级是具体实现机器指令功能的中央控制部分，第2

级是创痛机器语言机器，第3级是操作系统机器，第4级是汇编语言机器，第5级是高级语言机器，第6级是应用语言机器。

2.计算机系统结构式AMDAHL等人在1964年提出的，主要研究软件，硬件功能分配和

对软件，硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些由硬件完成。

3.计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，系统结构是计算机系统

的软，硬件的界面，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

4.Flynn分类法：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

括输入数据而后中间结果。多倍性：在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。分为：单指令流单数据流，单指令流多数据流，多指令流单数据流，多指令流多数据流。

5.访问的局部性原理：实质是：根据程序的最近情况，可以精确地预测出最近的将来将要

用到哪些指令和数据。局部性分为：时间上的局部性和空间上的局部性。时间上的局部性是指最近访问过得代码是不久将被访问的代码。空间上的局部性是指那些地址上相邻的代码可能会被一起访问。

6.系统结构的评价标准：性能和成本。

第二章

1.数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类

型。数据结构研究的是面向系统软件，面向应用领域所处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。

2.浮点数的表示方式两个数值：m：数制(小数或整数)和码制(原码或补码)；阶码e：

整数, 移码(偏码、增码、余码)或补码。两个基值：尾数基值rm：2、4、8、16和10进制等；阶码基值re：通常为2进制。两个字长：长度和物理位置，均不包括符号位尾数长度p：尾数部分按基值计算的长度。阶码长度q：阶码部分的二进制位数。性质有：表示范围：表示精度：表示效率：

3.主要的寻址方式：立即数寻址，寄存器寻址，主存寻址（包括直接寻址，间接寻址，变

址寻址），堆栈寻址。

4.Huffman原理最短码长度公式为：

5.RISC的特点如下：(1)大多数指令在单周期内完成2)LOAD/STORE结构3)硬布线控制

逻辑4)减少指令和寻址方式的种类5)固定的指令格式6)注重编译的优化。RISC的关键技术：延时转移技术；指令取消技术；重叠寄存器窗口技术；指令流调整技术；以硬件为主固件为辅

第三章

1. 直接相联映象主要优点：

1）硬件实现很简单, 不需要相联访问存储器。

2）访问速度也比较快, 实际上不做地址变换。

主要缺点: 块的冲突率较高。

组相联映象

优点：

1）块的冲突概率比较低。

2）块的利用率大幅度提高。

3）块失效率明显降低。

缺点：实现难度和造价要比直接映象方式高。

段相联映象

主要优点：

1）段表比较简单，实现的成本低。

2）如一个容量为256KB的Cache，分成8个段，每段2048块，每块

16B。

在段表存储器中只需要存储8个主存地址的段号S。而其它映像方式

在块表中要存储8×2048个区号(相当于段号)，两者相差2000多倍。主要缺点：当发生段失效时，要把本段内已经建立起来的映象关系全部撤消。

2. 几种页面替换算法

1.随机算法；算法最简单，而且容易实现

2.先进先出算法；

3.近期最少使用算法；

4.最久没有使用算法；

5.最优替换算法；

在虚拟存储器中，实际上采用的只有FIFO和LFU两种算法。

3. 三种地址映像和变换及特点。

段式虚拟存储器

页式虚拟存储器

段页式虚拟存储器

4. 地址映像和地址变换的概念

地址映象：把虚拟地址空间映象到主存地址空间

地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成主存实地址(内部地址变换)或磁盘存储器地址(外部地址变换)。

外部地址变换和内部地址变换的含义。

内部地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成主存实地址。

外部地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成磁盘存储器地址。

第四章

1. 3种基本输入输出方式是什么,有什么特点。

1.程序控制输入输出方式；特点：

1）何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制

2）CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。

3）数据的输入和输出都要经过CPU

4）用于连接低速外围设备，如终端、打印机等

2.中断输入输出方式；特点：

1）CPU与外围设备能够并行工作。

2）能够处理例外事件。

3）数据的输入和输出都要经过CPU。

4）用于连接低速外围设备。

3.直接存储器访问方式；特点：

1） 外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要CPU 程序

的干预。

2） 全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作,工作速度快。

3）DMA 控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地

址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。

4）在DMA 方式开始和结束时，需要处理机进行管理。

2. 中断屏蔽的实现方法主要有两种：

方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。

方法二：改变处理机优先级

例4.3：有四个中断源D1、D2、D3和D4，它们的中断优先级从高到低分别是1级、2级、3级和4级。这些中断源的正常中断屏蔽码和改变后的中断屏蔽码见下表。每个中断源一位，共4位屏蔽码。

解：

如果4个中断源都使用正常的中断屏蔽码，处理机的中断服务顺序将严格按照中断源的中断优先级进行。

如果改变中断屏蔽码，当D1、D2、D3和D4这4个中断源同时请求中断服务时，处理机实际为各个中断源服务的先后次序就会改变。

处理机响应的顺序是D1、D2、D3、D4

实际服务的顺序是D4、D3、D2、D1

3. 通道种类：字节多路通道，选择通道和数组多路通道。

理解3种通道的流量计算公式,会计算通道的实际流量。

Ts ：设备选择时间。 TD ：传送一个字节的时间。 P ：一个通道上的设备数。 n ：每个设备传送的字节数。

K ：一个数据块中的字节数。

为保证通道不丢失数据，通道的实际流量应不大于通道最大流量：

fBYTE ≤fMAX·BYTE fSE LETE≤fMAX·SELETE fBLOCK≤fMAX·BLOCK

4. 了解例4.5：一个字节多路通道连接D1、D2、D3、D4、D5共5台设备，这些设备分别每10us 、30us 、30us 、50us 和75us 发出一次数据传送请求。

(1)计算这个通道的实际流量和工作周期。

(2)如果这个字节多路通道的最大流量正好等于通道实际流量，并假设数据传输率高的设备，其优先级也高。5台设备在0时刻同时向通道发出第一次传送数据的请求，并在以后的时间里按照各自的数据传输率连续工作。画出通道分时为各台设备服务的时间图，并计算处理完各设备的第一次请求的时刻。

(3)从时间图中发现什么问题？如何解决？

解：

(1) 通道的实际流量为：

秒字节秒

字节秒字节＋

＝＋//1)/(//1)/(/1)(...D S D S BLOCK MAX D S D S SELETE MAX D S D S BYTE MAX T k T n p T k T n p f T n T n p T n T n p f T T n p T T n p f +=??+?=+=??+?=???=

fBYTE ＝(1/10+1/30+1/30+1/50+1/75)MB/S

＝0.2MB/S

通道的工作周期为：

t ＝1/fBYTE

＝5us

(2)处理完各设备这个第一次请求的时间：

D1：5us ；

D2：10us ；

D3：20us ；

D4：30us 。

D5的第一次请求没有响应，数据丢失。

(3) D5的第一次请求没有得到响应的原因分析

对所有设备的请求时间间隔取最小公倍数，在这一段时间内通道的流量是平衡的。

可以采取下列方法：

方法一：增加通道的最大工作流量。例如，把通道的工作流量增加到0.25MB/S （工作周期为4us ）。

方法二：动态改变设备的优先级。例如，在30us 至70us 之间临时提高设备D5的优先级。

方法三：增加缓冲存储器。例如，只要为设备D5增加一个数据缓冲寄存器，它的第一次请求可以在第85us 处得到响应，第二次请求可以在第145us 处得到响应。

第五章

1. 流水线的特点：a.在流水线的每个功能部件后面都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器，闸门寄存器等，作用是保存本流水段的执行结果。b.流水线中各段的时间应尽量相等，否则将引起堵塞断流等。C.只有连续不断的提供同种任务才能充分发挥流水线的效率，d.流水线需要有装入时间和排空时间。

2. 流水段相等时，加速比、效率和吞吐率的关系,计算。

吞吐率：

t n k n TP ?-+=)1( 加速比：1-+?=n k n k S 效率：1-+=n k n E 关系：E=TP· Dt ，S=k·E

3. 非线性流水线的调度

非线性流水线调度的任务是要找出一个最小的循环周期，按照这周期向流水线输入新任务，流水线的各个功能段都不会发生冲突，而且流水线的吞吐率和效率最高。

例5.3：一条4功能段的非线性流水线，每个功能段的延迟时间都相等，它的预约表如下：

(1)写出流水线的禁止向量和初始冲突向量。

(2)画出调度流水线的状态图。

(3)求最小启动循环和最小平均启动距离。

(4)求平均启动距离最小的恒定循环。

解：

(1)禁止向量为：(2，4，6)

初始冲突向量：S = 101010

(2)构造状态图

S 逻辑右移2、4、6位时，不作任何处理，

逻辑右移1、3、5和大于等于7时：

S 右移1位之后：010101∨101010＝111111，

S 右移3位之后：000101∨101010＝101111，

S 右移5位之后：000001∨101010＝101011，

S 右移7位或大于7位后：还原到它本身。

101111右移5位之后：000001∨101010＝101011，

101011右移3位之后：000101∨101010＝101111，

101011右移5位之后：000001∨101010＝101011。

简单循环：状态图中各种冲突向量只经过一次的启动循环。

(3)最小的启动循环为（1，7）和（3，5）,

平均启动距离为 4。

4. 条件分支对流水线性能的影响计算。

假设条件转移指令在一般程序中所占的比例为p ，转移成功的概率为q

n 条指令的总的执行时间是： TK-IF=(n+k-1)?t+npq(k-1)?t

有条件转移影响的流水线吞吐率为： 有条件转移影响的流水线最大吞吐率为： TPMAX-IF= 流水线吞吐率下降的百分比为： D= 流水线各段执行时间不相等的情况解决瓶颈：

一是将“瓶颈”流水段细分(如果可分的话)，

二是将 “瓶颈”流水段重复设置。

5. 乱序流动方式中的数据相关。

写读相关 读写相关 写写相关

6. 三种主流处理机：

超标量处理机

超流水线处理机

超标量超流水线处理机

7. 多流水线的调度主要有三种方法：

顺序发射顺序完成

t k npq t k n n TP IF ?-+?-+=)1()1（t k pq ?-+))1(1（1)

1(1)1(-+-=--k pq k pq TP TP TP MAX IF MAX MAX

顺序发射乱序完成

乱序发射乱序完成

第六章

1. 向量处理机的结构

主要采用两种方法：

存储器－存储器结构

多个独立的存储器模块并行工作

处理机结构简单对存储系统的访问速度要求很高硬件结构简单, 造价低；速度相对较低

寄存器－寄存器结构

运算通过向量寄存器进行

需要大量高速寄存器

对存储系统访问速度的要求降低

2. 向量链接技术(chaining)

当前一条指令的结果寄存器可以作为后继指令的操作数寄存器时，多条有数据相关的向量指令并行执行，这种技术称为两条流水线的链接技术。

例如：有如下3条向量指令：

1：V3 ← A

2：V2 ← V0＋V1

3：V4 ← V2×V3

第1、2条指令没有数据相关和功能部件冲突，可以同时开始执行。

第3条指令与第1、2条指令均存在写读数据相关，可以链接执行。

三种执行方式比较：

(1) 如果向量长度为N，三条指令采用串行方法

执行的时间为：

[(1+6+1)+N-1]+[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1]

= 3N+22 拍

(2) 如果前两条指令并行执行，第三条指令串行

执行，则执行时间为：

[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1] = 2N+15 拍

(3) 如果采用链接技术，则执行时间为：

(1+6+1)+(1+7+1)+(N-1)=17+N-1 = N+16 拍

第七章

1、8种互连函数，能够通过输入编号计算输出编号。

1恒等置换；2 交换置换；3 方体置换；4 均匀洗牌置换；5 蝶式置换；

6 位序颠倒置换；

7 移数置换；

8 加减2i置换

2. 互联网络的特性参数。

(1) 网络规模：网络中结点的个数。

(2) 结点度：与结点相连接的边数称为结点度。包括入度和出度。

(3) 距离：两个结点之间相连的最少边数。

(4) 网络直径：网络中任意两个结点间距离的最大值。

(5) 等分宽度：当某一网络被切成相等的两半时，沿切口的最小边数(通道)称为通道

等分宽度，用b表示。

(6) 结点间的线长：两个结点间连线的长度。

(7) 对称性：从任何结点看到拓扑结构都是一样的网络称为对称网络。