體系結(jié)構(gòu)-復(fù)習(xí)題..

1、1.簡述：1）計算機體系結(jié)構(gòu)研究的目的答:1.提高處理器速度2.提高單位時間內(nèi)指令的執(zhí)行條數(shù)3.提高工作主頻 2）計算機系統(tǒng)中并行性的層次劃分。答：1.指令內(nèi)部的并行2.指令級的并行3.任務(wù)級（過程）的并行4.作業(yè)2.級的并行（程序級）簡述：1）計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成、計算機實現(xiàn)的研究內(nèi)容；2）這三者之間的關(guān)系（要求附圖說明）與系列機的定義。答：1）計算機體系結(jié)構(gòu)主要是研究軟件，硬件功能分配以及高性能計算機 設(shè)計技術(shù)；計算機組成主要研究計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成及邏輯 設(shè)計等，著重于機器內(nèi)部事件的時序和控制機構(gòu)；計算機實現(xiàn)主要研究處理 器，主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度

2、，器件，模塊，插件, 底板的劃分與連接等相關(guān)的制造工藝技術(shù)。2）計算機組成是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯組成，計算機實現(xiàn)是計算機的物理 實現(xiàn)。即同一個計算機體系結(jié)構(gòu)可以有多種計算機組成，而同一個計算機組 成可以有多種計算機的實現(xiàn)方式。系列機：是指同一生產(chǎn)廠家通過同一計算機體系結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的具有不同的計算機組成和不同計算機實現(xiàn)的，軟件上兼容，性能上不同的一系列計算機。律系緒構(gòu)I計算機組成1計SHL俎慮2計W機組咸3計算機實現(xiàn)1計算機實現(xiàn)21計算機實 3產(chǎn)品2產(chǎn)ft 1產(chǎn)品33.簡述：1）程序局部性原理；2）程序局部性原理在多級存儲體系中的應(yīng)用。答：1）局部性原理：在任一小的時間范圍內(nèi)，程序?qū)Υ鎯ζ鞯脑L問集中

3、于 小的存儲區(qū)域內(nèi)；局部性表現(xiàn)在處理器發(fā)出的訪問地址隨時間局部集中，在 聚集區(qū)內(nèi)可出現(xiàn)重復(fù)地址2）虛擬存儲器的設(shè)計來源于程序的局部性原理（虛擬存儲器=主存+輔存,4.虛擬存儲器的速度約等于主存速度）簡述提高存儲器帶寬的主要途徑。簡述：1）存儲系統(tǒng)性能評價的關(guān)鍵指標,2）提高存儲系統(tǒng)性能的基本途徑。提高帶寬：1.縮短訪問周期2.拓寬存儲器字長3.既縮短訪問周期，同時拓寬字長1）關(guān)鍵指標：帶寬2）提高存儲器性能的途徑:1.器件技術(shù)，縮短訪問時間 2.多體并行存儲器結(jié)構(gòu)（拓寬字長，縮短周期）3.多級存儲器層次結(jié)構(gòu)（既提高容量，有提5.咼帶寬）超長字存儲方案單緩沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述?？趩尉彌_方案Dr

4、tfa BUS數(shù)據(jù)血坡訪問疔內(nèi)地處訪Rtf*址工作原理：一次性讀入多個數(shù)據(jù)字到一個緩沖行中，根據(jù)需要更新或?qū)懭胂鄳?yīng)單元的內(nèi)容，提高存儲器的訪問速度。6.超長字存儲方案雙緩沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述。2.如果A或者B的地址與訪問行地址相等，則用訪問行內(nèi)地址通過相應(yīng)的 數(shù)據(jù)選擇分配器對緩沖行的相應(yīng)單元進行讀寫；如果是寫入操作則設(shè)置數(shù)據(jù)行相應(yīng)的標志位（這里沒有顯示出來），操作結(jié)束。3.如果A與B的地址與訪問行的地址都不相等，則通過仲裁器按照LRU算法判斷對那個緩沖行進行操作。4.確定了操作的緩沖行后，根據(jù)確定的緩沖行（A或B）的修改標志位啟動相應(yīng)的存儲體，根據(jù)關(guān)聯(lián)行地址寫入需要修改的存儲單元。5.用訪問

5、行地址啟動存儲體，讀出訪問行打入到剛才仲裁器確定的緩沖行 中，并清除修改標志位。6.如果是讀操作，則將該緩沖行中的數(shù)據(jù)通過MUX根據(jù)訪問行內(nèi)地址打入到數(shù)據(jù)總線，結(jié)束操作。7. 如果是寫操作，則將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)通過分配器根據(jù)訪問行內(nèi)地址打入該緩沖行，并設(shè)置修改標志位，結(jié)束操作。7.簡述虛擬存儲器中的兩級地址變換過程（要求附圖說明）與地址變換的加速、方法。答：兩級地址變換過程：通過虛擬地址提供的段號與當(dāng)前進程的段表基地址（段表基地址+段號）查找頁表基地址，根據(jù)頁表基地址和頁號（頁表基地址+頁號）查找頁表獲得實頁號，根據(jù)實頁號和業(yè)內(nèi)地址拼接得到實際物理地址（實頁號+頁內(nèi)地址）地址變換加速的方法：壓縮

6、地址變換級數(shù)，將兩級地址變換壓縮成一級地址變換。采用虛頁號-實頁號轉(zhuǎn)換表，并采用硬件 TLB實現(xiàn)快速檢索。段號和 虛頁號作為檢索標志，實地址作為檢索結(jié)果。（TLB存儲的最常用的頁表項，實際就是查找快表）8. 簡述4路組相聯(lián)Cache的工作機制，并畫出邏輯結(jié)構(gòu)電路圖。（附圖說明）。-I組扌目耳關(guān)Cache白勺訪冋過干呈.根塘組號譯石馬讒組， 獲取組內(nèi)全部彳亍1言扈1口 冋一組的彳亍分配在不同的存貯體中，類f嘆于 立支存貯一個組所有行的標志殿與訪問標志殿進彳亍t匕較 口需妾ke比較器從匹配的行中用 行內(nèi) 地址選出 瞰#g一I為 T減少延遲* 數(shù)擴選擇與標恚匹酉己過干呈并 彳亍”需垂k個數(shù)據(jù)爹路選扌

7、圣器女口果俎內(nèi)萌標志比較者B不+目等，貝H數(shù)塘不在 Cache中.貝U需要訪I邁主存調(diào)入一彳亍數(shù)扌居， 在 同組內(nèi)替換一個1曰彳亍9. 簡述Cache的三種典型結(jié)構(gòu)及其特點（附地址劃分及引用圖說明）答：1.組相聯(lián)結(jié)構(gòu)標擊組號行內(nèi)地址H I II L檢連定位疔選組從行中選出數(shù)據(jù)單元2.直接相聯(lián)結(jié)構(gòu)標志行號行內(nèi)地址H；命中 L比較標志t行號=組號按行號譯碼選行3.全相聯(lián)結(jié)構(gòu)標志行內(nèi)地址10. 簡述實地址Cache在虛擬存儲器中的工作過程及其加速作用。1. 查找TLB，若命中，則形成實地址。若未命中，則通過查找段，頁表兩級變換獲得實地址。2. 用實地址訪問Cache若命中，則獲得數(shù)據(jù)完成操作。若未命

8、中，則啟動主存獲得數(shù)據(jù)并刷新caches加速作用：1.加速虛擬存儲器的訪問2.加速虛地址到實地址的變換標器實貢號TLEl標志數(shù)據(jù)行未由中曲中TLB未cat中11. 簡述虛地址Cache在虛擬存儲器中的工作過程及其加速作用。地址標去打內(nèi)地址47LS號貝號頁內(nèi)1S址丫實頁號 實她址 問主存，劇ftCirhPIj A址兩馥變離III 刷fTLB(過程:1.通過虛地址訪問cache,如果命中則獲得數(shù)據(jù)完成操作2.如果虛地址未命中，則啟動TLB獲得實地址查找主存并刷新cache3. 如果TLB未命中則通過兩級變換獲得實地址查找主存，并刷新 TLB和cache12. 簡述影響流水線性能的主要因素， 并舉例

9、說明流水線的阻塞情況以及提高流水線吞吐率的主要途徑。答：主要因素： 1.指令長度不均一 2.流水段操作時間不均一3.轉(zhuǎn)移相關(guān)，即下一條指令的地址依賴于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果4.數(shù)據(jù)相關(guān)，數(shù)據(jù)相關(guān)指流水線中下一條指令的操作數(shù)依賴于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果。例：假設(shè)一個基本的流水段周期等于存儲器的訪問周期，如果下一條指令的執(zhí)行過程中，取指令 IN 站 2 個周期，取操作數(shù)占 2 個周期，進入流水線后下一條指令的執(zhí)行就要在流水線如果出和流水線內(nèi)部推遲執(zhí)行。提高主要途徑：a.采用RISC指令集b.采用并行結(jié)構(gòu)直接壓縮段操作時間（往往受限）C.采用流水線技術(shù)將段細分成多段流水處理（常用方法）d. 預(yù)測轉(zhuǎn)移的目

10、的地址e. 延遲轉(zhuǎn)移，保持流水線滿負荷運行f. 通過優(yōu)化編譯技術(shù)，調(diào)整執(zhí)行順序使指令之間不相關(guān)g. 通過硬件檢測數(shù)據(jù)相關(guān)，采用內(nèi)部前推技術(shù)將執(zhí)行結(jié)果直 接送下一條指令的執(zhí)行段h.動態(tài)調(diào)整指令執(zhí)行順序13. 簡述：流水段細分的目的與流水段細分的類型，并舉例說明。類型：串行流水結(jié)構(gòu)（細分多段允許做串行多步處理，如乘除法運算）并行重疊結(jié)構(gòu)（細分成多段非串行多步處理，如存儲訪問）14. 簡述指令流水線中寄存器變名的作用，并舉例說明。答：通過修改定向寄存器IDR指針來分配OPR,可以為一個LDR在OPR寄存器組中形成多個副本舉例：當(dāng)指令進入執(zhí)行段時，對數(shù)據(jù)寄存器 A 分配幾個操作數(shù)寄存器 OPROPR1

11、初始=<S> AOD A.D»C i => OPRl+D*LOAD A.XX; => OPR2 XX OPR2 分 flri sr e=>- OPr2 b ->c”一 IXCA：=> OPRJ + 1 > OPRJOPRJ曲配假設(shè)A的初值在0PR1中，當(dāng)需要修改A時給它分配一個OPR,弓I用A的內(nèi)容變成引用A當(dāng)前對應(yīng)的OPR的內(nèi)容；當(dāng)指令按程序次序壓入執(zhí)行段中后, A按先后次序在執(zhí)行段中形成3個副本：0PR1、0PR2、0PR3,可交換并行/并發(fā)執(zhí)行15.簡述RISC處理器的技術(shù)優(yōu)勢。答： 適應(yīng)流水線處理和減少指令譯碼延遲：需要簡化指令

12、格式和壓縮指令條數(shù)，采用統(tǒng)一的指令格式RISC思想適合VLSI技術(shù):簡化指令系統(tǒng)可以簡化指令譯碼和控制器的結(jié)構(gòu)，節(jié)省芯片面積，用于制作寄存器堆和在片Cache,減少處理機與主存之間的信息流量RISC設(shè)計技術(shù)中，十分重視指令流的統(tǒng)計分析和軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化編譯技術(shù)16. 假設(shè)功能A通過一 4段流水線S1、S2、S3和S4實現(xiàn)，流水線預(yù)留表如下所示，試設(shè)計一種單功能流水線控制器，避免發(fā)生流水線沖突。T1T2T3T4T5T6T7T8S1XXXS2XXXS3XXS4XXX功能A預(yù)留表薫止/允許清求例如，要計算一算術(shù)表達式：x = （a + b ） * （ a - c）串行控制流模型<1«

13、;>稈序存儲轟口并行控制流模型共享存儲器i2數(shù)據(jù)存梯券采用操作FORX（開始并行到冥K 指令）和JOIN（聯(lián)合煤指令） 顯式地表示井行 性，井允許在同 時刻有幾個控 制流同時活動18. 2如果禁止啟動，則啟動請求保持（等待），寄存器輸入“ 0”移位17. 簡述數(shù)據(jù)驅(qū)動機制及其在流水線中的應(yīng)用。數(shù)據(jù)驅(qū)動機制：數(shù)據(jù)流機采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式工作，其工作原理與傳統(tǒng)的馮？諾依曼機根本不同：它的指令不是在中央控制器的控制下順序執(zhí)行，而是在數(shù)據(jù)的可用性控制下并行執(zhí)行。可歸納為兩點：當(dāng)指令所需的數(shù)據(jù)可用時，該指令才可執(zhí)行（O指令的執(zhí)行不受其它控制條件的約束， 只要 它所需的操作數(shù)齊備并且可用時即可同時執(zhí)行O

14、 2操作結(jié)果不受指令執(zhí)行順序的影響O 3這是 數(shù)據(jù)流機所特有的指令操作異步性和操作結(jié)果確定性）（2）任何操作都是純函數(shù)操作（O 1 2 3在數(shù)據(jù)流計算機中沒有變量概念，也不設(shè)置狀態(tài)，在指 令之間直接傳送數(shù)據(jù)（傳值）0 2因此，操作結(jié)果不產(chǎn)生副作用（side effect ），不改變機器 狀態(tài)，從而具有純函數(shù)的特點）在流水線中的應(yīng)用：（1）串行控制流模型（傳統(tǒng)的馮 ？諾依曼機中采用）（2 ）并行控制流模型（并行多處理機系統(tǒng)中采用）兩者的根本區(qū)別在于：程序的表示方法中對計算順序的控制方法不同立方體交換網(wǎng)絡(luò)r"2C bg r31C7_D二-L_L_jnLfe IjDTO斗0 J半;二口二;二二cule-219. N叉樹的優(yōu)先搜索算法初始化：將根節(jié)點壓棧；節(jié)點出棧作為當(dāng)前父節(jié)點；搜索當(dāng)前父節(jié)點的子節(jié)點，若無子節(jié)點并且?？談t結(jié)束; 如果當(dāng)前父節(jié)點有下層子節(jié)點，則將同層子節(jié)點壓棧； 返回2)。N叉樹深度優(yōu)先搜索機制及算