成都理工大学计算机系统结构总复习提纲2016

系统结构总复习CH01一基本概念1. 计算机系统层次结构（0-6级）: p32. 系统结构的定义由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。计算机系统结构主要研究软件、硬件界面的确定，即哪些功能由硬件或软件完成。计算机组成：指的是计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：指的是计算机组成的物理实现3. 透明性：一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。4. Flynn分类法：SISD ： 单指令单数据流SIMD： 单指令多数据流MISD： 多指令单数据流MIMD：多指令多数据流5. 计算机系统设计者的主要任务：（1） 确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求（2） 软硬件的平衡（3） 设计出符合今后发展方向的系统结构6. 计算机系统设计的主要方法：由下往上设计、由上往下设计、有中间开始设计7. 存储程序原理的基本点是指令驱动，即程序由指令组成8. 系列机：指在一个厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。9. 模拟与仿真：模拟：用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统，若A实现B，那么称A为宿主机，B为虚拟机。仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真。A为宿主机，B为目标机。二、计算题：1. Amdahl定律2. CPI 计算 3MIPS CH02一基本概念1. 目前常用的编址单位有：字编址、字节编址、位编址。2 并行存储器的编址技术：地址码高位交叉编址、地址码低位交叉编址。3. 寻址方式：立即数寻址、寄存器寻址、主存寻址、堆栈寻址。定位方式：把指令和数据中的逻辑地址转换成主存储器的物理地址。5. 设计指令系统时，在功能发面的最基本要求是：指令系统的完整性、规整性、高效率和兼容性。6. 基本指令：数据传送指令、运算类指令、程序控制类指令、输入输出指令、处理机控制和调试指令。 7. CISC：复杂指令系统计算机。RISC：精简指令系统计算机。8. RISC特征：简单而统一格式的指令译码大部分指令可以单周期执行完成只有LOAD和STORE指令可以访问存储器简单的寻址技术采用延迟转移技术采用LOAD延迟技术三地址指令格式较多的寄存器对称的指令格式9. RISC思想的精华：减少CPI。10. 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，硬件为主固件为辅。二、计算题：操作码优化表示（Huffman 编码及扩展编码方法）： 书P91-95CH03一、基本概念1. 存储系统：两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。速度接近速度最快的那个存储器，容量与容量最大的那个存储器相等或相近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。2. 两种存储系统：一种是由Cache和主存储器构成的Cache存储系统，为了提高存储器的速度。一种是由主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统，为了增加存储器的存储容量。3. 三条途径解决频带平衡问题：（1） 多个存储器并行工作（2） 设置各种缓冲存储器（3） 采用存储系统4. 高位交叉访问存储器：扩大存储器容量。5. 低位交叉访问存储器：提高存储器访问速度。6. 三种地址空间：虚拟地址空间、主存储器地址空间、辅存地址空间。地址映像：把虚拟地址空间映像到主存地址空间。地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成主存实地址。三种虚拟存储器：段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器。7. 段式虚拟存储器的主要优点：（1） 程序的模块化性能好（2） 便于程序和数据的共享（3） 程序的动态链接和调度比较容易（4） 便于实现信息保护段式虚拟存储器的主要缺点：（1） 地址变换所花费的时间比较长（2） 主存储器的利用率往往比较低（3） 对辅存的管理比较困难8. 页式虚拟存储器的主要优点：（1） 主存储器的利用率比较高（2） 页表相对比较简单（3） 地址映像和变换的速度比较快（4） 对辅存的管理比较容易页式虚拟存储器的主要缺点：（1） 程序的模块性能不好（2） 页表很长9. 目录表基本思想：用一个容量比较小的告诉存储器来存放页表，从而加快页表的查表速度。10. 主要页面替换算法：随机算法、先进先出算法、近期最少使用算法、最久没有使用算法最优替换算法。11. 全Cache系统：只用Cache和磁盘两个存储器构成的“Cache-磁盘”存储系统。二、计算题： 1. 系统命中率 2. 三种映射画图 3. 替换算法CH04一、基本概念1. 输入输出系统的特点：集中反映在异步性、实时性、和与设备无关性。针对实时性，采用层次结构的方法，针对与设备无关性，采用分类处理的方法。针对异步性，采用自治控制的方法。2. 3种基本的输入输出方式：程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问方式程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、DMA方式。中断输入输出方式的特点是：（1） CPU能与外围设备并行工作（2） 能够处理例外事件（3） 灵活性好（4） 一般用于连接低速外围设备使用DMA方式实际有如下三种：（1） 周期窃取方式（2） 直接存取方式（3） 数据块传送方式3. 中断的定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的任何例外的，或者虽然是事先安排的，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。4. 引起中断的各种事件称为中断源。5. 中断系统中软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：（1）中断响应时间（2）灵活性6. 影响中断响应时间的因素有四个：（1） 最长指令执行时间（2） 处理其他更紧急的任务所用时间（3） 从第一次关中断到第一次开中断所经历的时间（4） 通过软件找到相关中断源的中断服务程序入口所经历的时间7. 中断源的识别方法：（1） 识别中断源的查询法（2） 软件排队链法、硬件排队链法（3） 中断向量法 (2)&(3)属串行排队链法（4） 独立请求法8. 中断屏蔽的两种方法：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9. 设置中断屏蔽的三个用处：（1） 在中断优先级由硬件确定了的情况下，改变中断源的中断服务顺序（2） 决定设备是否采用中断方式工作（3） 在多处理机系统中，把外围设备的服务工作分配到不同的处理机中10. 通道种类：（1）字节多路通道（2）选择通道（3）数组多路通道通道的种类及其工作方式字节多路通道 为多台低中速的外围设备服务，有多个子通道，每个子通道连接一个控制器选择通道 为高速外围设备服务，只有一个以成组方式工作的子通道 数组多路通道 字节多路通道和选择通道的结合。 每次为一台高速设备传送一个数据，并轮流为多台外围设备服务。从磁盘存储器读出文件的的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据。数组多路通道的实际工作方式是：在为一台高速设备传送数据的同时，有多台高速设备可以在定位或者在找扇区。与选择通道相比，数组多路通道的数据传输率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的复杂度也高。11. 保证字节多通路通道能不丢失数据的方法：（1） 增加通道的最大流量（2） 动态改变设备的优先级（3） 增加一定数量的数据缓冲器12. 输入输出处理机：能够独立承担输入输出工作的专用处理机。13. 输入输出处理机除了能够完成通道处理机的全部功能之外，还具有如下功能：（1） 码制转换。（2） 数据校验和校正。（3） 故障处理。（4） 文件管理。（5） 诊断和显示系统状态。（6） 处理人机对话。（7） 连接网络或远程终端。12.输入输出机的种类：（1）根据是否共享主存储器分为：共享主存储器的输入输出机和不共享主存储器的输入输出机（2）根据运算部件和指令控制部件是否共享分为：合用一个运算部件和指令控制部件、独立运算部件和指令控制部件二、计算题：1. 字节多路通道实际工作流量 （p244）2. 通道最大流量工作流量设计 CH05一、基本概念1. 标量处理机：只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。2. 设计处理机的基本任务是：缩短解释指令的时间，即提高处理机指令执行的速度。3. 提高指令执行的途径有如下三种：（1） 提高处理机的工作主频（2） 采用更好的算法和设计更好的功能部件（3） 多条指令并行，称为指令级并行技术4. 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。5. 采用二次重叠执行方式必须解决的两个问题：（1） 有独立的去指令部件、指令分析部件、指令执行部件解决方法：把一个集中的指令控制器分解为存储控制器、指令控制器、运算控制器。（2） 解决访问主存储器的冲突问题解决方法：采用先行控制技术。6. 处理机结构：（1） 三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。（2） 四个缓冲栈：（统称为先行控制器）先行指令缓冲栈：用于平滑主存储器与指令分析器先行读数缓冲栈：用于平滑运算器与主存储器先行操作缓冲栈：使指令分析器和运算器能够各自独立工作 后行写数栈：只要把写到主存的数据送到后行写数栈的数据寄存器中即可7. 相关：指一段程序的相近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠执行。 通常分为两类：数据相关（局部相关）、控制相关（全局相关）。8. 解决数据相关的方法有两种：推后分析法、设置专用路径。9. 数据相关有四种及解决方法：指令相关：不允许修改指令。主存操作数相关：推后处理法。通用寄存器相关：方法一：把读操作数、写运算结果与指令执行合在一个节拍。方法二：建立相关专用通路。变址相关：由硬件自动插入空操作，直到LOAD操作完成。10. 控制相关包括：无条件转移、一般条件转移、复合条件转移、中断等。11. 对条件转移指令采用多种技术：延迟转移技术、指令取消技术。在先行控制方式的处理机中经常采用如下几种技术：（1） 软件“猜测”法（2） 硬件“猜测”法（3） 两个先行指令缓冲栈12. 减少条件转移对流水线的影响的方法：（1） 延迟转移技术和指令取消技术（2） 静态转移预测技术（3） 动态转移预测技术13. 从两个方面来开发处理机内部的并行性：空间并行性、时间并行性。空间并行性：即在一个处理机内部设置多个独立的操作部件，并让这些操作部件并行工作，这种处理机称为多操作部件处理机和超标量处理机。 时间并行性：就是采用超流水线技术。14. 流水线工作原理：把一个重复的过程分解称为若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。15. 时空图：横坐标表示时间，纵坐标表示空间。流水线的一个子过程通常称为“功能段”。16. 流水线的特点：（1） 在流水线中处理的必须是连续任务，只有连续不断地提供任务才能充分发挥流水线的效率。（2） 把一个任务分解为几个有联系的子任务，每个子任务由一个专门的功能部件实现（3） 在流水线的每一个功能部件的后面有一个缓冲寄存器，或称为锁存器、闸门寄存器等，用于保存本段的执行结果（4） 流水线中隔断的时间应尽量相等（5） 流水线需要有“装入时间”、“排空时间”17. 按照功能段之间是否有反馈信号，流水线可分为：线性流水线和非线性流水线。18. 按照流水线使用的不同级别，可分为功能部件级、处理机级、处理机间级等类型。18.流水线处理机：指令执行部件中采用了流水线的处理机。19. 多操作部件处理机或标量处理机：指令执行部件中设置有多个操作部件的处理机。20. 单功能流水线：一条流水线只能完成一种固定的功能。多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，在不同时间内或在统一时间内，通过不同的连接方式实现不同的功能。21. 静态流水线：在同一段时间内，多功能流水线中的各个功能段只能按照一种 固定的方连接，实现一种固定的功能。动态流水线：在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。22. 在同一个基本快内部的相关称为局部相关；由条件转移或程序中断引起的相关称为全局相关。23. 处理因为程序性错误和机器故障灯产生的中断的两种方法：不精确断点方法、精确断点方法。24. 三种高性能的指令级并行处理机：超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机。25. 单发射处理机：每个周期只取一条指令、只译码一条指令，只执行一条指令，只写回一个运算结果。 26. 多发射处理机：每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令，同时执行多条指令，同时写回多个运算结果。27. 超标量处理机：一个时钟内能够同时发射多条指令的处理机。超标量处理机必须有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线。超标量处理机采用的三种不同的指令调度方法：（1） 顺序发射顺序完成（2） 顺序发射乱序完成（3） 乱序发射乱序完成28. 超流水线处理机：一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处理机。或者，指令流水线的级数为8或大于8即的流水线处理机称为超流水线处理机。29. 超标量超流水线处理机：一个时钟周期内发射指令n次，每次发射指令m条，每个时钟周期总共发射mn条。30. 超标量处理机的相对性能最高，其次为超标量超流水线处理机，超流水线处理机的相对性能最低。31. 两种不同并行性： 超标量处理机采用的是空间并行性；超流水线处理机采用的是时间并行性。二、计算题： 1. 流水线吞吐率 2加速比和效率的计算CH06 向量处理机一、基本概念1. 具有向量数据表示和向量指令系统的处理机向量处理机是解决数值计算问题的一种高性能计算机向量处理机属大型或巨型机，也可以用微机加一台向量协处理器组成向量处理机一般都采用流水线结构，通常有有多条并行工作的流水线必须把要解决的问题转化为向量运算，才能发挥向量处理机的效率2. 0元素很多，非0元素很少的向量称为稀疏向量3. 向量处理机的结构:主要采用两种方法：存储器存储器结构和寄存器寄存器结构。4. 向量处理方式：横向处理方式、纵向处理方式、纵横处理方式。5. 向量处理机的关键技术：（1） 向量链接技术（2） 向量循环开采技术（3） 向量递归技术二、计算题：1. 判断并行 链接的条件 2. 列向量操作分成编队，然后计算每个编队的开始时间、获得第一个结果元素的时间和获得最后一个结果元素的时间 CH07一、基本概念1. 互连网络：是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接。2. 互连网络的主要性能参数：(1)频带宽度(2)传输时间(3)飞行时间(4)传输时延(5)发送方开销(6)接收方开销3.总时延发送方开销飞行时间 消息长度/频宽接收方开销4.互连网络的种类：静态互连网络 循环互连网络多级互连网络 全排列互连网络 全交叉开关网络二、计算题：基本互连函数的定义与计算（计算）书P395CH08并行处理机(SIMD)一、基本概念1. 两种并行性概念：(1)同时性并行Simultaneity：两个或两个以上事件在同一时刻发生。(2)并发性并行Concurrency：两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。 2. 并行处理机的主要特点如下：（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3. 三条技术途径：(1)资源重复：重复设置多个部件来提高速度。(2)时间重叠：流水线(3)资源共享：分时系统，分布式系统4. 并行处理机的定义：多个处理部件PU按照一定方式互连，在同一个控制部件CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作。从CU看，指令是串行执行的，从PU看，数据是并行处理的。 4. 并行处理机也称为阵列处理机，按照按照佛林分类法，它属于SIMD处理机。5. 并行处理机的主要应用领域：用于高速向量或矩阵运算。6.一台并行处理机由五个部分组成： 多个处理单元PE，多个存储器模块M，一个控制器CU，一个互连网络ICN，一台输入输出处理机IOP。并行处理机有两种典型结构：分布存储器并行处理机，共享存储器并行处理机。7.目前的大部分并行处理机属于基于分布式存储器模型。分布式存储器并行处理机比较容易构成MPP(Massively Parallel Processor)，可以有几十万个处理部件PE。CU是控制部件。对于标量指令，在CU中直接执行；对于向量指令，CU把它广播到各个PE中去执行。在CU中通常有一个较大容量的存储器，用来存放程序和共享数据。IOP是输入输出处理机，或称为主机。在IOP上安装操作系统，它除了负担输入输出工作外，还负责程序的编辑、编译和调试等工作。 IOP可以是一台通用计算机。分布式存储器并行处理机必须依靠并行算法来提高PE的利用率。因此，应用领域有限，可以认为是一种专用计算机。数据在局部存储器中的分布是一个很关键的问题。标量指令与向量指令可以并发执行。实例：IlliacIV 阵列处理机8.共享多体并行存储器SM通过互连网络与各处理单元PE相连。存储模块的数目等于或略大于处理单元的数目。为了实现无冲突访问，存储模块的个数为质数。在存储模块之间合理分配数据，通过灵活、高速的互连网络，使存储器与处理单元之间的数据传送在大多数向量运算中都能以存储器的最高频率进行，而最少受存储器冲突的影响。实例：BSP 计算机9.阵列处理机的并行算法（1）矩阵乘（2）求累加和CH09多处理机1. 多处理机定义：两个或两个以上处理机(包括PU和CU)，通过高速互连网络连接起来，在统一的操作系统管理下，实现指令以上级（任务级、作业级）并行。 按照Flynn分类法，多处理机系统属于MIMD计算机2. 多处理机分类:多处理机系统由多个独立的处理机组成，每个处理机都能够独立执行自己的程序。按照处理机之间的连接程度：紧密偶合和松散偶合多处理机 按照是否共享主存储器：共享存储器和分布存储器多处理机 按照处理机类型：同构型和异构型多处理机 按照处理机的个数：大规模并行处理机MPP和对称多处理机SMP按照PE与IOP之间互连方式：对称型：每个IOP能够连接到所有PE上非对称型：每个IOP只与一个PE连接。冗余对称型：一个PE与多个IOP连接。按照存储器的访问方式：均匀存储器，UMA模型 非均均存储器，NUMA模型 只有Cache，COMA模型 另外，S2MP, 多向量处理机，机群系统等也称为多处理机系统。3. 松散偶合多处理机: 处理机之间的连接频带比较低 4. 紧密偶合多处理机: 处理机之间共享主存储器，通过高速总线或高速开关连接。 5. 多处理机系统的特点: 结构灵活、程序并行性、并行任务派生、进程同步、资源分配和进程调度6. 引起峰值性能下降的原因：（1）由于处理机之间通信而产生的延迟。（2）一台处理机与其它处理机同步所需的开销。（3）当没有足够多任务时，一台或多台处理机处于空闲状态。（4）由于一台或多台处理机执行无用的工作。（5）系统控制和操作调度所需的开销。 7. 并行性在很大程度上依赖于R/C比值 R: 程序执行时间，C: 通信开销R/C小，并行度低。R/C大，并行性高。R/C是衡量任务粒度(Granularity)的尺度粗粒度(Coarsegrain)并行：R/C大，通信开销小细粒度(Finegrain)并行：R/C小，通信开销大8. M个任务分配给N台处理机的最佳分配方法：当R/CM/2时采用平均分配方法， 当R/CM/2时采用集中分配方法。9. 多处理机的Cache一致性：在总线互连的多处理机系统中，通常采用监听协议。在其他多处理机系统中，通常采用基于目录协议。10. 机群的组成和关键技术11. 多核技术与超线程技术原理， 多核、SMP、机群的区别 18 / 18