02325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)資料

1、138第一章第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念本概念從處理數(shù)據(jù)的角度看，并行級(jí)別有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上構(gòu)成了SIMD。位片串字并的例子有：相聯(lián)處理機(jī)STARAN，MPP。全并行的例子有：陣列處理機(jī)ILLIACIV。從加工信息的角度看，并行級(jí)別有存儲(chǔ)器操作并行，處理器操作步驟并行，處理器操作并行，指令、任務(wù)、作業(yè)并行。存儲(chǔ)器操作并行是指可以在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)并行讀出多個(gè)CPU字的，采

2、用單體多字、多體單字或多體多字的交叉訪問主存系統(tǒng)，進(jìn)而采用按內(nèi)容訪問方式，位片串字并或全并行方式，在一個(gè)主存周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器中大量字的高速并行操作。例子有并行存儲(chǔ)器系統(tǒng)，以相聯(lián)存儲(chǔ)器為核心構(gòu)成的相聯(lián)處理機(jī)。處理器操作步驟并行是指在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯(cuò)開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個(gè)部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。例子有流水線處理機(jī)。處理器操作并行是指一個(gè)指令部件同時(shí)控制多個(gè)處理單元，實(shí)現(xiàn)一條指令對(duì)多個(gè)

3、數(shù)據(jù)的操作。擅長(zhǎng)對(duì)向量、數(shù)組進(jìn)行處理。例子有陣列處理機(jī)。指令、任務(wù)、作業(yè)并行是指多個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)。例子有多處理機(jī)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。并行性的開發(fā)途徑有時(shí)間重疊(TimeInterleaving)，資源重復(fù)(ResourceReplication)，資源共享(ResourceSharing)。時(shí)間重疊是指在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯(cuò)開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個(gè)部分，加

4、快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。例子有流水線處理機(jī)。資源重復(fù)是指一個(gè)指令部件同時(shí)控制多個(gè)處理單元，實(shí)現(xiàn)一條指令對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機(jī)，相聯(lián)處理機(jī)。資源共享是指用軟件方法讓多個(gè)用戶按一定時(shí)間順序輪流使用同一套資源以提高資源的利用率，從而提高系統(tǒng)性能。例子有多處理機(jī)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。SISD:一個(gè)指令部件控制一個(gè)操作部件，實(shí)現(xiàn)一條指令對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)的操作。例子有傳統(tǒng)的單處理機(jī)SIMD:一個(gè)指令部件同時(shí)控制多個(gè)處理單元，實(shí)現(xiàn)一條指令對(duì)

5、多個(gè)數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機(jī)，相聯(lián)處理機(jī)。MIMD:多個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)，實(shí)現(xiàn)指令、任務(wù)、作業(yè)并行的多機(jī)系統(tǒng)，是多個(gè)SISD的集合，也稱多倍SISD系統(tǒng)(MSISD)。例子有多處理機(jī)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。exercises:1.有一臺(tái)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4級(jí)，每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令，需要下一級(jí)的N條指令來解釋。如果執(zhí)行第1級(jí)的一條指令要Kns時(shí)間，那么執(zhí)行第2、第3和第4級(jí)的一條指令各

6、需要用多少時(shí)間？解答：執(zhí)行第2、第3和第4級(jí)的一條指令各需要KNns、KN^2ns、KN^3ns的時(shí)間。1.有一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可按功能分成4級(jí)，每級(jí)的指令互不相同，每一級(jí)的指令都比其下一級(jí)的指令在效能上強(qiáng)M倍，即第i級(jí)的一條指令能完成第i1級(jí)的M條指令的計(jì)算量?，F(xiàn)若需第i級(jí)的N條指令解釋第i1級(jí)的一條指令，而有一段第1級(jí)的程序需要運(yùn)行Ks，問在第2、3和4級(jí)上一段等效程序各需要運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間？答：第2級(jí)上等效程序需運(yùn)行：(NM)Ks。第3級(jí)

7、上等效程序需運(yùn)行：(NM)(NM)Ks。第4級(jí)上等效程序需運(yùn)行：(NM)(NM)(NM)Ks。note:由題意可知：第i級(jí)的一條指令能完成第i1級(jí)的M條指令的計(jì)算量。而現(xiàn)在第i級(jí)有N條指令解釋第i1級(jí)的一條指令，那么，我們就可以用NM來表示NM表示第i1級(jí)需(NM)條指令來完成第i級(jí)的計(jì)算量。所以，當(dāng)有一段第1級(jí)的程序需要運(yùn)行Ks時(shí)，在第2級(jí)就需要(NM)Ks，以此類推2.硬件和軟件在什么意義上是等效的？在什么意義上又是不等效的？試舉例

8、說明。答：軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，原理上，軟件的功338時(shí)標(biāo)發(fā)生器、乘法器、先進(jìn)先出鏈、移位器、主存地址寄存器。6.下列哪些對(duì)系統(tǒng)程序員是透明的？哪些對(duì)應(yīng)用程序員是透明的？系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；虛擬存儲(chǔ)器；Cache存儲(chǔ)器；程序狀態(tài)字；“啟動(dòng)IO”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。答：對(duì)系統(tǒng)程序員透明的有：系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲(chǔ)器；指令緩沖寄存器；對(duì)應(yīng)用程序員透明的有：系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度

9、；Cache存儲(chǔ)器；指令緩沖寄存器；虛擬存儲(chǔ)器；程序狀態(tài)字；“啟動(dòng)IO”指令。note:系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬于計(jì)算機(jī)組成，對(duì)系統(tǒng)和程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動(dòng)IO”指令，對(duì)系統(tǒng)程序員是不透明的，而對(duì)應(yīng)用程序員卻是透明的?！皥?zhí)行”指令則對(duì)系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是不透明的。7.想在系列機(jī)中發(fā)展一種新型號(hào)機(jī)器，你認(rèn)為下列哪些設(shè)想是可以考慮的，哪些則不行的？為什么？新

10、增加字符數(shù)據(jù)類型和若干條字符處理指令，以支持事務(wù)處理程序的編譯。（2）為增強(qiáng)中斷處理功能，將中斷分級(jí)由原來的4級(jí)增加到5級(jí)，并重新調(diào)整中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序。（3）在CPU和主存之間增設(shè)Cache存儲(chǔ)器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。（4）為解決計(jì)算誤差較大，將機(jī)器中浮點(diǎn)數(shù)的下溢處理方法由原來的恒置“1”法，改為用ROM存取下溢處理結(jié)果的查表舍入法。（5）為增加尋址靈活性和減少平均指令字長(zhǎng)，將原等長(zhǎng)操作碼指令改為有3類不同碼

11、長(zhǎng)的擴(kuò)展操作碼；將源操作數(shù)尋址方式由操作碼指明改成如VAX11那種設(shè)尋址方式位字段指明。（6）將CPU與主存間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴(kuò)展成32位，以加快主機(jī)內(nèi)部信息的傳送。（7）為減少公用總路線的使用沖突，將單總線改為雙總線。（8）把原0號(hào)通用寄存器改作堆棧指示器。答：可以考慮的有：13467。不可以考慮的有：258。原則是看改進(jìn)后能否保持軟件的可移植性。P.S.為了能使軟件長(zhǎng)期穩(wěn)定，就要在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，因此在確定

12、系列結(jié)構(gòu)時(shí)要非常慎重。其中最主要是確定好系列機(jī)的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示及概念性結(jié)構(gòu)。既要考慮滿足應(yīng)用的各種需要和發(fā)展，又要考慮能方便地采用從低速到高速的各種組成的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，即使用復(fù)雜、昂貴的組成實(shí)現(xiàn)時(shí)，也還能充分發(fā)揮該實(shí)現(xiàn)方法所帶來的好處。8.并行處理計(jì)算機(jī)除分布處理、MPP和機(jī)群系統(tǒng)外，有哪4種基本結(jié)構(gòu)？列舉它們各自要解決的主要問題。答：除了分布處理，MPP和機(jī)群系統(tǒng)外，并行處理計(jì)算機(jī)按其基本結(jié)構(gòu)特征可分為流水線計(jì)算機(jī)，陣列處理機(jī)，多處理

13、機(jī)和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)四種不同的結(jié)構(gòu)。流水線計(jì)算機(jī)主要通過時(shí)間重疊，讓多個(gè)部件在時(shí)間上交劃重疊地并行招待運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的并行。它主要應(yīng)解決：擁塞控制，沖突防止，流水線調(diào)度等問題。陣列處理機(jī)主要通過資源重復(fù)實(shí)現(xiàn)空間上的并行。它主要應(yīng)解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連模式和互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的分布算法等問題。多處理機(jī)主要通過資源共享，讓一組計(jì)算機(jī)在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件各級(jí)上的相互作用，達(dá)到時(shí)間和空間上的異步并行