计算机系统结构名词解释及简答题参考

一、名词解释

1.虚拟机：指由软件实现的机器，以区别于由固件/硬件实现的物理机器。

2. 系统加速比：总执行时间改进前/总执行时间改进后

3. Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。

4. 系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

5. 模拟：用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机host）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令集。

6. 仿真：用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序的去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令集。

7. 并行性：指计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作。

8. RISC：精简指令集计算机，她尽可能地把指令集简化，不仅数量的条数少，而且指令的功能也比较简单。

9. 寻址方式：指一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。

10. 数据表示：计算机硬件能够识别、指令集可以直接调用的数据类型。

11. 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。

12. 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

13. 静态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

14. 动态流水线：在同一时间内，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。

15. 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。

16. 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。

17. 流水线吞吐率：指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。

18. 流水线加速比：不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。

19. 流水线的效率：指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值。

20. 数据相关：对于两条指令i(在前）和j（在后），如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关； 

                      ①指令j使用指令i产生的结果；

                     ② 指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。

21. 名相关：如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动。

22. 控制相关：由分支指令引起的相关。

23. 反相关：指令j写的名称和指令i读的名称相同。

24. 结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。

25. 数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。

26. 控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。

27. 定向：在某条指令产生计算结果之前，其他指令并不真正立即需要该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令中需要它的地方，那么就可以避免停顿。

28. 多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统。各存储器处在离CPU不同距离的层次上。其目标是速度接近于离CPU最近的存储器的速度，容量达到离CPU最远的存储器的容量。

29. 命中时间：CPU访问存储系统命中时的访问时间。

30. 不命中率：指CPU访存时，在M1存储器中找不到所需信息的概率。

31. 不命中开销：CPU向第二级存储器发出访问请求到把这个数据块调入第一级存储器所需的时间。

32. 全相联映像：指主存中任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。

33. 直接映像：指主存中每一块可以被放置到Cache中唯一的一个位置。

34. 组相联映像：主存中每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置。

35. 写直达法：在执行“写”操作时，不仅把数据写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器。

36. 写回法：只把数据写入Cache中相应的块，不写入下一级存储器。这些最新数据只有在相应的块被替换时，才会被写回下一级存储器。

37. 强制性不命中：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。

38. 容量不命中：如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。

39. 冲突不命中：在组相联或直接映像Cache中，若太多的块映像到同一组中，则会出现该组中某个块被别的块替换、然后又被重新访问的情况。

40. 2:1Cache经验规则：容量为N的直接映像Cache的不命中率和容量为N/2的两路组相联Cache的不命中率差不多相同。

41. 相联度：某数据块调入Cache时，Cache可以存放该数据块的位置个数。

42. 牺牲Cache：在Cache和其下一级存储器的数据通路上增设一个全相联的小Cache，用来存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块。

43. 系统响应时间：指从用户键入命令可开始到得到结果所花的时间(输入/输出系统的响应时间以及COU的处理时间)。

44. 可靠性：指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通常用平均失效前时间来衡量。

45. 可用性：指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。

46. RAID：磁盘阵列是由很多价格较便宜的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。

47. 互连网络：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中节点之间的互相连接。

48. 互连函数：假设互联网络有N 个输入端和N 个输出端，分别用0,1，... ，N-1来表示，则互连函数表示了输入端号和输出端号的连接关系。

49. 网络规模：指互连网络中节点的个数。

50. 网络直径：指互连网络中任意两个节点之间距离的最大值。

51. 静态互连网络：指各节点之间有固定的连接通路，且在运行中不能改变的网络。

52. 动态互连网络：指由交换开关构成。可按运行程序的要求动态地改变连接状态的网络。

53. 集中式共享多处理机：包含具有统一地址空间的共享存储器，各个处理机通过共享变量进行通信与同步，各处理机联系密切，实现高度的资源共享。

54. 分布式共享多处理机:把整个系统功能分成若干个相对独立的分系统(或分模块),使多处理机系统中的每个处理机分别对应其分系统并承担其该分系统所预定的功能.

55. 多Cache一致性：

56. 写作废协议：在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权。具体做法是在处理器进行写入操作之前，把所有其他Cache中的副本全部作废。

57. 写更新协议：当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其他Cache.这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。

二、简答题

1. 什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？

答：一个软件不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机一直到另一台计算机上运行，称这两台计算机是软件兼容的。

       软件兼容有向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。           向后兼容是软件兼容的根本特性。

2. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

答：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。一种系统结构可以有多种组成；一种组成可以有多种实现。同一系列机中各种型号的机器具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而具有不同的性能和价格。

3. 计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？

    答：以经常性事件为重点，Amdahl定律，程序的局部性原理。

4. 根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？

     答：可改进比例，部件加速比。

5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

   答：时间重叠：在并行型概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部              分，以加快硬件周转而赢得速度。

      资源重复：在并行型概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。

      资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

6. 从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？

答：（1）各种指令的使用频度相差悬殊，许多指令很少用到。

      （2）指令集庞大，指令条数多，许多指令的功能又复杂。

      （3）许多指令由于操作繁杂，其CPI的值比较大，执行速度慢。

      （4）由于指令功能复杂，规整性不好，不易于使用流水技术来提高性能。

7. RISC的设计原则是什么？

答：（1）指令条数少而简单。

       （2）采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式。

       （3）指令的执行都在单个机器周期内完成（采用流水机制后）。

       （4）只有load-store指令才能访问存储器，其他指令的操作都在寄存器之间进行，即采用load-store结构。

       （5）大多数指令都采用硬连逻辑来实现。

       （6）强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化代码。

       （7）充分利用流水技术来提高性能。

8. MIPS采用哪几种寻址方式？

答：立即数寻址和偏移量寻址。

9. 流水技术有哪些特点？

答：（1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。

       （2）流水线中各段的时间应尽可能相等，因为时间长的段将成为流水线的瓶颈。

       （3）流水线每个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，称为流水线寄存器。

       （4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。

          (5)流水线需要有通过时间和排空时间。

10. 在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？它们分别是什么？

   答：一条指令的执行需要五个时钟周期。它们分别是取指令周期（IF），指令译码/读寄存器周期（ID），执行/有效地址计算周期（EX），存储器访问/分支完成周期（MEM），写回周期（WB）。

11. 评价流水线的性能指标是什么？

答：吞吐率、加速比、系统的效率

12. 什么叫相关？流水线中有哪几种相关？ 

答：相关是指两种指令之间的某种依赖关系。流水线中有数据相关、名相关、控制相关。

13. 单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？

答：主要矛盾是：速度越快，单位价格就越高；容量越大，单位价格就越低；容量越大，速度就越慢。

通常采用多种存储器技术，构成多级存储层次结构。

14. 在存储层次中应解决哪四个问题？

答：映像关系：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上；

      查找算法：当所要访问的块已经在高一层存储器中时，如何找到该块；

      替换算法：当发生不命中而且高一层存储器已满时，应替换哪一块；

      写策略： 当进行写访问时，应该进行哪些操作。

15. 地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？ 

答：（1）全相联映像。实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的是效率也低。

       （2）直接映像。实现查找的机制简单，速度快。Cache空间利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache的失效率也高。

       （3）组相联映像。组相联是直接映像和全相联的一种折中。

16. 写策略主要有哪两种？它们各有什么优点？

答：（1） 写直达法 ：易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。

       （2） 写回法：速度快，写操作能以Cache存储器的速度进行，而且对于同一单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所使用的存储器频带较低。

17. 伪相联的基本思想是什么？

答：当对伪相联Cache进行访问时，首先是按与直接映像相同的方式进行访问，如果命中，则从相应的块中取出所访问的数据送给CPU，访问结束；但如果是不命中，伪相联Cache会检查Cache另一个位置（块），看是否匹配。确定这个“另一块”的一种简单方法是将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找“伪相联组”中的对应块。如果这一块的标志匹配，则发生了“伪命中”。否则，只好访问下一级存储器。

18. 采用二级Cache的基本思想是什么？ 

答：通过在原有Cache和存储器之间增加另一级Cache，构成两级Cache。把第一级Cache做得足够小，使其速度和快速CPU的时钟周期相匹配，而把第二级Cache做得足够大，使它能捕获更多本来需要到主存去的访问，从而降低实际失效开销。

19. 采用容量小且结构简单的Cache有什么好处？

答：（1）可以有效地提高Cache的访问速度。因为硬件越简单，速度就越快。小容量Cache可以实现快速标识检测，对减少命中时间有益。       （2）Cache足够小，可以与处理器做在同一芯片上，以避免因芯片外访问而增加时间开销。       （3）保持Cache结构简单可采用直接映象Cache。直接映象Cache的主要优点是可以让标识检测和数据传送重叠进行，这样可以有效地减少命中时间。

20.  “虚拟索引＋物理标识” Cache的基本思想是什么？ 

答：直接用虚地址中的页内位移（页内位移在虚实地址的转换中保持不变）作为访问Cache的索引，但标识却是物理地址。CPU发出访存请求后，在进行虚实地址转换的同时，可并行进行标识的读取。在完成地址变换之后，再把得到的物理地址与标识进行比较。

21. 在分布式存储器结构的机器中，将存储器分布到各结点有什么好处？

答：（1）若果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。

       （2）对局部存储器的访问延迟低。分布式存储器结构最主要的缺点是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟较大。

22. 在分布式存储器结构的机器中，目前有哪两种存储器地址空间的组织方案？

答：（1）第一种：物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址。

          (2)第二种：整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻址。

23. 在分布式存储器结构的机器中，对应于两种地址空间的组织方案，分别有哪两种通信机制？它们是怎么实现的？

答：（1）共享地址空间的机器：可利用load和store指令中的地址隐含地进行数据通信，因而可称为共享存储器机器。

        （2）多个地址空间的机器：根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。因而这种机器常称为消息传递机器。

24. 实现Cache一致性协议时，有哪两种跟踪共享数据状态的技术

答：目录协议，监听协议。

25. 目录协议中，Cache块有哪三种状态？

答：未缓冲、共享、独占。