系统结构简答题答案

《计算机系统结构》简答题复习资料

1.简述标志符数据表示的主要优点

(1)简化了指令系统和程序设计；(2)简化了编译程序；(3)便于实现一致性校验；(4)能由硬件自动变换数据类型；(5)支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求；(6)为软件调试和应用软件开发提供了支持。

2．简述哈夫曼压缩概念的基本思想。

哈夫曼压缩概念的基本思想是，当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数(时间)来表示(处理)，而对出现概率较低的，允许用较长的位数(时间)来表示(处理)，就会导致表示(处理)的平均位数(时间)的缩短。

3．RISC存在不足表现在哪些方面？

(1)、由于指令少使原来在CISC上由单一指令完成的某些复杂功能现在要用多条RISC指令才能完成，加重了汇编语言程序设计的负担，增加了机器语言程序的长度，占用存储空间多，加大了指令的信息流量。

(2)、对浮点运算执行和虚拟存储器的支持虽有很大加强，但仍显得不足。

(3)、RISC机器的编译程序比CISC的难写。

4．简述设计RISC结构用了哪些基本技术?

(1)按RISC一般原则设计；(2)逻辑实现用硬联和微程序结合；(3)用重叠寄存器窗口(4)指令用流水和延迟转移；(5)优化设计编译系统。

5．简述计算机系统“由中间开始”设计的基本思想。

(1)软硬件设计分离和脱节是”由上往下”和“由下往上”设计的主要缺点，由此提出“有中间开始”设计。“中间”提的是层次结构中的软硬交界面，目前多数实在传统机器级与操作系统机器级之间。

(2)进行合理的软、硬件功能分配时，既要考虑能拿到的硬、器件，又要考虑可能的应用所需的算法和数据结构，先定义好这个交界面。确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现，同时还要考虑好硬件对操作系统、编译系统的实现提供些什么支持。然后由这个中间点分别往上往下进行软件和硬件的设计。

6．简述计算机系统结构、组成和实现三者的相互关系。

结构、组成、实现三者互不相同，但又互相影响：相同结构(如指令系统相同)的计算机，可以因速度不同而采用不同的组成。同样，一种组成可有多种不同的实现。反过来，组成也会影响结构，微程序控制就是一个典型的例子。通过改变控制存储器中的微程序就可改变系统的机器指令，改变结构。如果没有组成技术的进步，结构的进展是不可能的。

正因为如此，系统结构的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时考虑可能采用和准备采用的组成技术。

组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术。然而它们是可以实现折衷权衡的。

结构、组成和实现所包含的具体容随不同时期及不同的计算机系统有差异。在某些系统中作为结构的容，在另一些系统中可能是组成和实现的容。软件的硬化和硬件的软化都放映了这一事实。

7．模拟与仿真的主要区别和适合场合是什么?

模拟与仿真的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微程序解释，其解释程序存在控制存储器中，而模拟是用机器语言程序解释，其解释程序存在主存中。模拟灵活，可实现不同系统间的软件移植，但结构差异太大时，效率、速度会急剧下降。仿真在速度上损失小，但不灵活，只能在差别不大的系统之间使用，否则效率也会过低且难以仿真，需与模拟结合才行。

. . . .

8．设P i和P j程序段都是一条语句，且P i在P j之前执行，试举出P i和P j间存在3种可能的数据相关。(1)若Pi的左部变量在Pj的右部变量集，且Pi必须取出Pi运算的结果来作为操作数，则称Pi“数据相关”于Pi。

(2)若Pj的左部变量在Pi的右部变量集，且当Pi未取用其变量的值之前，是不允许被Pj所改变，则称Pi“数据反相关”于Pj。

(3)若Pi的左部变量也是Pj的右部变量，且Pj存入其算得的值必须在Pi存入之后，则称Pj“数据输出相关”于Pi。

9．试分析通过何种方法可以解决通用寄存器组数相关的问题?

10．在“一次重叠”的机器中，会出现哪些相关?应如何处理？

“一次重叠”是指将指令的解释分为“分析”和“执行”两个阶段，任何时刻都只是“执行K”与“分析K+1”在时间上重叠，也就是让指令分析部件与指令执行部件同时处理相邻的两条指令。在“一次重叠”机器中，会出现的相关主要有：指令相关、主存空间数相关、通用寄存器组相关等.

转移指令与后续指令相关：减少使用转移指令，需要使用时可采用延迟转移技术。

指令相关：不允许程序在执行过程中修改指令，需要修改指令时可用类似于IBM370的执行指令，变指令相关为操作数相关，统一按操作相关去处理。

主存空间数相关：在存储控制器中，写数申请优先于读数申请被响应变址值二次相关，设置变址值相关专用通路。

. . . .

通用寄存器组的变址值一次相关：设置变址值相关专用通路，并推后后续指令的分析。

11．试举例说明什么是“先读后写”，“写一写”，“先写后读”相关？

设有指令h，i，j，k，l，m，n依次流入流水线，若i要读数的单元正是k写数的单元，正常顺序是i先读，k再写。但由于异步流动下，k可能先于指令i被解释，从而i读到的是不正确数据（正常数据应该是k写之前的），这种相关称为“先读后写”相关。若i，k向一单元写数据，正常情况下最后单元中应保存k写的数据，但由于异步流动，k可能先于i写数据，使该单元最后结果不正确，这种相关称“写-写”相关。类似可知“先写后读”相关。

12．简述解决指令相关的方法。

13．简述解决全局相关的几种方法

全局性相关是转移指令与其后续指令之间的相关。处理方法有：

猜测法:猜选其中一个分支继续流入，待条件码形成后再决定是继续执行，还是作废，按另一分支重新流入。

提前形成转移所需的条件:包括指令或程序段条件码的提前生成。

加快短循环程序的处理:判断如属于短循环，将循环体各指令一次取入指令缓冲器中，停止预取指令；猜选分支恒选循环分支。

14．流水线按级别分成几类？线性流水线与非线性流水线有什么区别?动态流水线与静态流水线有什么区别?

流水线按级别分部件级、处理机级和系统级三级。线性流水线段间无反馈或超过的通路，非线性流水线则有反馈回路或前越通路。静态和动态流水都是多功能的流水。其中，动态流水线按一种功能流水未完成之前，可重组开始另一种功能的流水。静态流水线必须等流水线排空之后才可进行功能切换。

15．流水机器的中断处理有哪两种方法．各有什么优缺点?

流水机器的中断处理有不精确断点法和精确断点法两种。

不精确断点法的还处是控制简单，缺点是不利于程序的排错。

精确断点法好处是中断现场准确对应于发出中断的指令，有利于程序的排错，但不利于之处是需要有大量的后挼寄存器，硬件花费大

16．CPU写Cache时，会发生Cache与主存的对应复本容不一致的现象，解决这个问题有哪些方法?各需要增加什么开销?

写回法：cpu只写入cache，不写入主存，仅Cache替换时才写回主存再替换。每个Cache块需增加一个修改位的资源开销。

写直达法：cpu每次写入cache同时，也写入主存。需增加主存的时间开销。

17．在页式虚拟存储器中，什么叫页面失效?什么叫页面争用？什么时候，两者同时发生？什么时候两者不同时发生?

要访问的虚页不在实际主存中时，就会发生页面失；其它虚页占用时，就会发生页面争用；当分配给程序的存区已被全部占用之后，只要发生页；面失效，并不会发生页面争用；

. . . .

18．简述段式存储管理的地址变换过程和段式存储管理的优缺点。

段式存储管理的地址转换过程：

程序号、段号、段偏移量

1）由程序号找到相应的段表基址寄存器，查到段表始址和段表长度。

2）检查是否越界，正常转3

3）由段表始址和段号找到装入位等相应表项

4）装入位为1转5，否则产生缺页中断

5）主存地址+段偏移=物理地址

段式存储管理优缺点:

优点：并行编程，缩短时间；相对独立，易于维护；实现虚拟存储；便于共享和分段保护。

缺点：主存利用率低；降低了访寸速度；空闲区管理复杂；查表速度慢。

19．简述页式存储管理的地址变换过程和分页方式的优缺点。

页式存储管理的地址变换过程：

分页方式的优缺点:

优点：表项短，减少访表时间；零头少；速度快。

缺点：强制分页，不利于存储保护和扩充；有效地址生成慢。

20．简述段页式存储管理的地址变换过程

用户标志、段号、页号、页偏移

1）用户标志-段基址寄存器

2）检查是否越界

3）找到段表中表项

4）检查装入位，段长

5）找到页表中表项

6）检查装入位

7）实页号+页偏移=有效地址

21．简述在有Cache情况下，按给出的一个主存地址访存的过程。

1）将主存与Cache分成大小相同的块。

2）判断要访问的主存地址块号是否在Cache中。

3）若在，变换为Cache号，访问Cache。

4）若不在，将该信息由主存调入Cache和CPU。

5）若Cache已满，则替换Cache信息，修改相应表格。

22．简述控制驱动的控制流方式的特点?

控制驱动的控制流方式的特点是：通过访问共享存储单元让数据在指令之间传递；指令的执行顺序隐含于控制流中，可以显式地使用专门的控制操作符来实现并行处理，指令执行顺序受程度计数器的控制，即受控制令牌所支配。

23．N＝16的4级立方体互连网络，级号从输入到输出为0到3，采用级控制，如将其中的第1级开关处. . . .

于“直接”，不能实现哪些结点之间的配对通信？为什么?

24．什么是全排列网络?实现全排列网络有哪两种方法?

可实现N个入端的所有N！种排列的网络称全排列网络，即N个端所有一到一的传送都不会发生传送路径使用冲突的互连网络。

实现全排列网络的出方法有：

在多级互连网络的输出端设置锁存器，使输出端的数据再一次通过多级互连网络；

将两个多级互连网络，即一个正网络和一个逆网络串接起来，合并掉中间的一级，组成2logN-1级的多级网络。

25．编号为0，1，…，15的16个处理器用单级互连网络互连。当互连函数分别为

（1）Cube3（2）PM2+3（3）PM2-0

（4）Shuffle （5）Shuffle（Shuffle）时，第13号处理器各连至哪—个处理器上?

1、5号；

2、5号；

3、12号；

4、11号；7号

26．简述SIMD系统的互连网络的设计目标。

1、结构不要过分复杂，以降低成本；

2、互连要灵活，以满足算法和应用的需要；

3、处理单元间信息交换所需传送步数要尽可能少，以提高速度性能；

4、能用规模单一的基本构件组合而成，或者经多次通过或者经多级连接来实现复杂的互连，使模块性号，以便于用VLSI实现并满足系统的可扩充性。

27．简述使用多处理机的目的。

1、用多台处理器进行多任务处理，提高协同求解一个大而复杂问题的速度；

2、依靠冗余的处理机及其重组来提高系统的可靠性、适应性和可用性。

28.多处理机系统与并行处理机系统的主要差别是什么?

有差别的原因是并行性等级不同，多处理机系统是任务级并行，并行处理机是操作级并行。具体讲：1）结构灵活性不同。

2）程序并行性等级不同。软硬件支持不同。

3）并行任务派生的方式不同。并行处理机能否并行工作由指令决定；多处理机必须有专门指令指明程序段能否并行执行，派生的任务数是动态变化的。

4）进程同步。并行处理机工作同步是自然的，而多处理机必须采取同步措施。

5）资源分配和任务调度，多处理机比并行处理机任务调度复杂。

29．多处理机在结构与并行性方面与阵列处理机有什么不同?

结构方面：阵列处理机的互连较规整，有一定专用性，互连的处理单元数量大；多处理机要采用更灵活多变的结构，实现复杂的互连模式，互连的处理机数量少。

并行性方面：阵列处理机是操作级并行，是并行性的同时性；多处理机是作业、程序、任务级的并行，. . . .

同时包含指令部操作间的并行，是并行性的并发性

30．分析并行处理机、单处理机流水方式、多处理机和单处理一次重叠方式这四种系统各能达到什么并行性等级？各自遵循何种并行性途径发展来的？

. . . .