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计算机系统结构复习提纲 .pdf
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第 1 章
1.1.1 简要理解什么是图灵机和通用图灵机
图灵机:模拟人们用纸笔进行数学运算的过程 的假想的机器
通用图灵机:能够模拟其它所有图灵机的图灵机
1.1.2 从计算机语言的角度看,计算机系统的多级层次结构是怎样的
第 6 级:应用语言机器
第 5 级:高级语言机器
第 4 级:汇编语言机器
第 3 级:操作系统机器
第 2 级:传统机器语言机器
第 1 级:微程序机器
1.1.3 翻译与解释的区别
翻译:先把高一级机器上的程序全部转换为低一级机器上等效的目标程序,然后再在这低一级机器上运行。执
行过程中,高一级机器上的程序不再被访问。
解释:并不产生目标程序,每取高一级机器上的程序中的一条语句,就直接转去执行低一级机器上的一段等效
的指令。高一级机器上的语句被低一级机器逐条直接执行。
一般来说,解释执行比编译执行耗时多,但占用的存储空间要少。
1.1.4 狭义的计算机系统结构的概念,它与计算机组成和实现的区别与联系
计算机系统结构(狭义):计算机系统中软硬件的交界面,即机器语言程序员所看到的传统机器级的属性。
计算机组成(也称微体系结构):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。着眼于硬件系统在逻辑上如何组织的,侧重各部件的逻辑功能以及各部件之间的联系。
计算机实现(即硬件实现):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。着眼于器件技术(起主导作用)、
微组装技术。
具有相同系统结构的计算机可以采用不同的计算机组成,同一种计算机组成又可以采用多种不同的计算机实
现。
1.1.5 广义的计算机系统结构指什么
广义的计算机系统结构概念则囊括了以上 体系结构、组成和实现三个方面。
1.1.6 计算机系统结构分类:Flynn 分类法、冯氏分类法、Handler 分类法
Flynn 分法(指令流、数据流):
单指令流单数据流 SISD 传统的顺序处理计算机
(Single Instruction stream Single Data stream)
单指令流多数据流 SIMD 阵列机、向量机、GPU
(Single Instruction stream Multiple Data stream)
多指令流单数据流 MISD 无实际机器
(Multiple Instruction stream Single Data stream)
多指令流多数据流 MIMD 多处理机
(Multiple Instruction stream Multiple Data stream)
冯氏分法(字位):
字串位串:n=1,m=1。一次处理单个字的一个位(第一代计算机发展初期的纯串行计算机)
字串位并:n>1,m=1。同时处理单个字的多个位,如 16 位、32 位等。 传统的单处理机,SISD
字并位串:n=1,m>1。同时处理多个字的同一位(位片)。某些 SIMD
字并位并:n>1,m>1。同时处理多个字的多个位。某些 SIMD 和 MIMD
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Handler 分类法:
根据并行度和流水线程度对计算机进行分类
把计算机的硬件结构分成 3 个层次:
程序控制部件( PCU)的个数 k
算术逻辑部件( ALU)或处理部件( PE)的个数 d
每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路(ELC)的套数 w
1.2.1 计算机系统设计的 5 大(定量)原理是哪 5 个
经常、A/C、局部、并行
1.2.2 Amdahl 定律 例题 例 1.1,1.2
1.2.3 CPI 公式 例题 例 1.3
例 1.3 假设 FP 指令的比例为 25%,其中,FPSQR 占全部指令的比例为 2%FP 操作的 CPI 为 4FPSQR 操作的 CPI 为 20,
其他指令的平均 CPI 为 1.33。现有两种改进方案,第一种是把 FPSQR 操作的 CPI 减至 2,第二种是把所有的 FP 操
作的 CPI 减至 2,试比较两种方案对系统性能的提高程度。
解 没有改进之前,每条指令的平均时钟周期 CPI 为:
2%7533.1%254
1
n
i
i
i
IC
IC
CPICPI
3 / 14
(1)采用第一种方案
FPSQR 操作的 CPI 由 CPI
FPSQR
=20 减至 CPI’
FPSQR
=2,则整个系统的指令平均时钟周期数为:
CPI
1
=CPI-(CPI
FPSQR
-CPI’
FPSQR
)×2%
=2-(20-2)×2%=1.64
(2)采用第二种方案
所有 FP 操作的 CPI 由 CPI
FP
=4 减至 CPI’
FP
=2,则整个系统的指令平均时钟周期数为:
CPI
2
=CPI-(CPI
FP
-CPI’
FP
)×25%
=2-(4-2)×25%=1.5
从降低整个系统的指令平均时钟周期数的程度来看,第二种方案优于第一种方案。
1.2.4 计算机系统设计有哪 3 种主要方法(top-down,bottom-up,middle-out),每种方法的适用领域
top-down:
首先确定面对使用者的那级机器的基本特征、数据类型和格式、基本命令等
然后再逐级往下设计,每级都考虑如何优化上一级的实现
适用于专用机的设计
bottom-up:
从层次结构的最下面一级开始,逐层往上设计各层的机器
采用这种方法时,软件技术完全处于被动状态,这会造成软件和硬件的脱节,使整个系统的效率降低
在早期被采用得比较多,现在已经很少被采用了
“由上往下”和“由下往上”设计方法的主要缺点软、硬件设计分离和脱节
解决方法:综合考虑软、硬件的分工,从中间开始
middle-out:
首先要进行软、硬件功能分配,确定好这个界面
然后从这个界面开始,软件设计者开始往上设计操作系统、汇编、编译系统等,硬件设计者开始往下设计传统
机器级、微程序机器级等
适用于通用机的设计
1.3.1 程序执行的 CPU 时间计算
CPU 时间=用户时间+系统时间
1.3.2 会用加权算数平均时间、加权几何平均值对机器性能进行比较
第一章 PPT 59 屏 性能比较
1.3.3 常用的基准测试程序有哪些,其中最流行的合成测试程序有哪两种
核心测试程序:从真实程序中选出的关键代码段构成的小程序
小测试程序:简单的只有几十行的小程序
合成的测试程序:人工合成出来的程序
Whetstone 与 Dhrystone 是最流行的合成测试程序(前者测浮点运算性能,后者测整数和字符串运算性能)
1.4.1 冯·诺依曼结构的理解, 冯·诺依曼结构与哈佛结构的比较
冯·诺依曼结构就是一种存储程序计算机结构,现在多专指:指令和数据共享存储和传输总线的存储程序计算机
冯·诺依曼瓶颈问题:对指令和数据的访问不能同时进行
冯·诺依曼结构的主要特点:
由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备 5 部分构成;
计算机以运算器为中心;
存储程序原理,且存储器中指令和数据同等对待;
存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构,每个单元的位数是固定的;
指令的执行是顺序的
一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行
程序的分支由转移指令实现
由指令计数器 PC 指明当前正在执行的指令在存储器中的地址;
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hualuodiewu
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