福建農(nóng)林大學計算機系統(tǒng)結構期末復習資料(更新版)

1、 福建農(nóng)林大學 計算機系統(tǒng)結構 提供更多更好的硬件支持放在首位。: 2.系統(tǒng)結構中的并行性發(fā)展和計算機系統(tǒng)的分類：弗林分類法 ： （1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD） ； （2）單 指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD） ； （3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD） ； （4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD） 。馮氏分類法： （1）字串位串（WSBS） ； （2）字串位并（WSBP） ； （3）字并位串（WPBS） ； （4）字并位并（WPBP） 。 3.尾數(shù)基值大小和下溢處理方法： 可表示數(shù)的范圍：隨 rm 的增大，可表示數(shù)的范圍增大。 可表示數(shù)的個數(shù)：隨 rm 的增大，可表示數(shù)的個數(shù)增多。 數(shù)在實數(shù)軸上的分布：

2、rm 越大，數(shù)的密度分布越稀。 可表示數(shù)的精度：由于 rm 愈大，數(shù)在數(shù)軸上的分布變稀，已可得出數(shù)的表示精度下降的結論 運算中的精度損失：rm 愈大，尾數(shù)右移的可能性愈小，精度的損失就越小。 下溢處理方法（1）截斷法； （2）舍入法； （3）恒置“1”法； （4）查表舍入法。 4. 數(shù)據(jù)寬度類型：有單字（單字節(jié)） 、定長塊、可變長塊、單子加定長塊和單子加可變長塊等。 單字（單字節(jié)）寬度適合于輸入機、打印機等低速設備；采用定長塊適合于磁盤等高速設備，可以充分利 用總線帶寬；采用可變長塊寬度適合于高優(yōu)先級的中高速磁帶、磁盤等設備。 三類通道：分字節(jié)多路，選擇和數(shù)組多路。 字節(jié)多路通道適用于連接大量

3、的像光電機等字符類低速設備；數(shù)組多路通道適合于連接多臺像磁盤等高速 設備；選擇通道適合于連接優(yōu)先級高的磁盤等高速設備。 5.透明性的判斷（選擇） ： 例 什么是透明性概念？對計算機系統(tǒng)結構，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存儲器的模 m 交叉存??；浮點數(shù)據(jù)表示；I/O 系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數(shù)據(jù)總線寬 度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP-11 系列的單總線結構；訪 問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存儲器最小編址單位；Cache 存儲器。 答：透明指的是客觀存在的事物或屬性從某個角度看不到，簡稱透明(Transp

4、arent。不同機器級程序員 所看到的計算機屬性是不同的，它就是計算機系統(tǒng)不同層次的界面。 透明的有：存儲器的模 m 交叉存??；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型； PDP-11 系列的單總線結構串行、重疊還是流水控制方式；Cache 存儲器。 不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；I/O 系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問 方式保護；程序性中斷；堆棧指令；存儲器最小編址單位。 6.流水方式的分類： （1）流水按處理的級別可以分為部件級、處理機級和系統(tǒng)級。 （2）按功能可以分為單 功能流水線和多功能流水線。 （3）按多功能流水線的各段能否允許同時用于多種不同功能

5、連接流水，可以 分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線。靜態(tài)流水線：在某一時間內各段只能按一種功能連接流水，只有等流水線 全部流空后，才能切換成按另一種功能的連接流水。動態(tài)流水線：各功能段在同一時間內可按不同運算或 功能連接。 （4）從機器所具有的數(shù)據(jù)表示可以分為標量流水機和向量流水機。 7.浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇（優(yōu)、缺） ：一般在巨、大、中型機上， rm 宜取大，這樣可使數(shù)表示的范圍大、 個數(shù)多、運算速度快，有因在這些機器上尾數(shù)位數(shù)多，精度實際比小、微型機的高得多。小、微型機由于 數(shù)表示的范圍小、速度要求不高，尾數(shù)字長較短，更注重數(shù)表示的精度，rm 宜取小些。 8.局部性相關的處理：指令相關、訪存操作數(shù)

6、相關和通用寄存器組相關等局部性相關都是由于在機器同時 解釋的多條指令之間出現(xiàn)了對同一主存單元或寄存器要求 “先寫后讀” 。重疊機器處理這些局部性相關的 方法有兩種。 （1）推后后續(xù)指令對相關單元的讀，直至在先的指令寫入完成。 （2）設置相關直接通路，將 共 18 頁 第 16 頁 福建農(nóng)林大學 計算機系統(tǒng)結構 運算結果經(jīng)相關直接通路直接送入所需部件。是流水線有多個子過程，多條指令同時處在不同子過程上解 釋。任務在流水線中流動順序的安排和控制可以有兩種方式： （1）讓任務（指令）流出流水線的順序保持 與流入流水線的順序一致，稱為順序流動方式或同步流動方式。 （2）讓流出流水線的任務（指令）順序可

7、 以和流入流水線的順序不同，稱為異步流動方式。 當流水線采用異步流動方式后，會出現(xiàn)順序流動不會發(fā)生的其他相關。除 “先寫后讀”外還 “先讀 后寫” 、 “寫-寫”相關。 “寫-寫”相關：對同一單元要求在先的指令先寫入，在后的指令才寫入的關聯(lián)為 “寫-寫”相關。 “先讀后寫”相關：對同一單元要求在先的指令先讀出，在后的指令才寫入的關聯(lián)為“先 讀后寫”相關。 “寫-寫”相關和“先讀后寫”相關只有在異步流動時才有可能發(fā)生，同步流動時是不可能 發(fā)生的。 流水線局部性相關的處理方法：采用分布式控制和管理，并設置公共數(shù)據(jù)總線，以簡化各種相關的判 別和實現(xiàn)相關直接通路的連接。 9.精確斷點： “精確斷點”法

8、：不論指令 i 是在流水線中哪一段響應中斷，給中斷處理程序的現(xiàn)場全都是 對應 i 的，i 之后流入流水線的指令的原有現(xiàn)場都能保存和恢復。精確斷點 ”法需設置很多后援寄存器， 以保證流水線內各條指令的原有現(xiàn)場都能保存和恢復。 10.輸入/輸出（流量設計滿足條件） ：輸入/輸出系統(tǒng)：包括輸入/輸出設備、設備控制器與輸入/輸出操作 有關的軟、硬件。流量設計滿足條件：對某一個子通道 j ：必須滿足設備要求通道的實際最大流量不超 過通道的極限流量。 對整個 I/O 系統(tǒng)必然滿足。 11 一次重疊（二次相關） ：定義：這種指令分析部件和指令執(zhí)行部件任何時候都只有相鄰兩條指令在重疊 解釋的方式為“一次重疊”

9、 。一次重疊工作方式：如果每次都可以從指緩中取得指令，則“取指 k+1”的時 間很短，就可把這個微操作合并到“分析 k+1”內，從而由原先的“取指 k+2” 、 “分析 k+1” 、 “執(zhí)行 k”重 疊變成只是“分析 k+1”與“執(zhí)行 k”的重疊。實現(xiàn) “執(zhí)行 k”與“分析 k+1”一次重疊的要求：硬件 上還應有獨立的指令分析部件和指令執(zhí)行部件。還需在硬件上解決控制上的同步，保證任何時候都只是 “執(zhí)行 k”與“分析 k+1”重疊。為了實現(xiàn)“分析 k+1”和“執(zhí)行 k”的一次重疊，還需要解決好控制上 的許多關聯(lián)的問題。處理好條件轉移指令；控制上還要解決好鄰近指令之間有可能出現(xiàn)的某種關聯(lián) - “數(shù)

10、相關” ；還要解決好鄰近指令之間“指令相關” 。 一次相關和二次相關的問題：基址值相關(B 相關就不止會出現(xiàn)一次相關，還會出現(xiàn)二次相關。在“執(zhí)行 k”得到的、送入通用寄存器的運算結果是來不及為“分析 k+2”作基址值用，更不用說為“分析 k+1”作 基址值用。即 B(k+1=L3(k時發(fā)生 B 一次相關,B(k+2=L3(k時發(fā)生 B 二次相關。這里所謂的一次和二次 指的是相關指令相隔的指令條數(shù)。 12.多功能流水線：指的是同一條流水線的各個段之間可以有多種不同的連接方式以實現(xiàn)多種不同的運算 或功能。單功能流水線：只能實現(xiàn)單一功能的流水線。 13.陣列結構： 14.相關處理（猜測法） ，怎么猜

11、？猜錯了怎么辦？ 什么是猜測法？若指令 i 是條件轉移指令，有兩個分支如圖 5-27 所示。一個分支是 i+1、i+2、 ,按原來 的順序執(zhí)行下去，稱轉移不成功分支。另一個分支是轉向 p、p+1、 ,稱為轉移成功分支。在執(zhí)行條件轉移 指令時， 猜測取 i+1 和 p 兩個分支之一繼續(xù)向前流動。 在標量類機器指令程序中， 條件轉移指令約占 20%， 其中 60%為轉移成功。在指令流足夠長時，這種條件轉移使流水性能將下降達 50%。 猜測法選擇分支：如果兩個分支概率相近，宜選 i+1 不成功轉移分支。當轉移的兩個分支概率不均等 時，宜猜高概率分支。 猜測法猜錯時對分支點原先的現(xiàn)場恢復的三種辦法： 共 18 頁 第 17 頁 福建農(nóng)林大學 計算機系統(tǒng)結構 不進行運算：IBM360/91 采取對指令只譯碼和準備好操作數(shù)，在轉移條件碼出現(xiàn)之前不進行運算。 不送回運算結果：讓它運算完但不送回運算結果。 采用后援寄存器：分支點原先的現(xiàn)場先保存在后援寄存器，一旦猜錯可恢復分支點原先的現(xiàn)場。 猜錯時能盡