计算机系统结构复习

概念性结构与功能。（P3）

2. Flymn分类法：分类中定义：指令流，数据流，多倍性。（P4）

Flymn把计算机系统分为四类：

（1）单指令流单数据流SISD（顺序处理计算机） （2）单指令流多数据流SIMD（阵列机代表） （3）多指令流单数据流MISD （没有实际机器） （4）多指令流多数据流（MIMD）（多处理机）

3. Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占执行时间的百分比。(P7)

加速比=系统性能（改进后）/系统性能（改进前）=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）

{Fe为可改进比，Se为加速比。一个运行60s的程序有20秒可以加速，则Fe为20/60;若该系统可改进部分执行的时间减少5s，则Se为20/5}

{程序改进部分的执行时间缩短为原来的1/Se，但不可改进的部分执行时间没有变化，则改进后的总的执行时间为：Tn=To（1-Fe+Fe/Se），To为改进前的总的执行时间，1-Fe为不可改进比例}

{改进后的加速比为：Sn=To/Tn=1/(1-Fe)+Fe/Se} 3. （P8）的例1.1和1.2------Amdahl定律的应用 4. （P47）MIPS的寄存器，MIPS位通用寄存器：R0，R1…，R31。他们被简称为GPRs，

有时候也被称为整数寄存器。MIPS的数据表示有两种：（1）整数：字节（8位），半字（16位），字（32位），双字（位）。（2）浮点数：单精度浮点数（32位），双精度浮点数（位）

5. （P53~P）什么是流水线？

答：把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个过程由专门的功能部件来实现。把处理过程在时间上错开，一次通过每个子过程及其功能部件称为流水线技术。每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段，段与段互相连接成流水线，流水线的段数称为流水线的深度。 PS：流水线的瓶颈：流水线的各段时间尽可能相等，否则引起堵塞和断流，因为时间最长的段将成为流水线的瓶颈。

6. （P62）流水线的性能分析 例3.1和3.2

7. 云计算的定义和解释：目前业界公认的第三方的对于云计算的定义和解释是NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准和技术研究院）的说法，其对于云计算的服务形式的说明如下：

SaaS（软件即服务）：提供给消费者的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，消费者可以在各种设备上通过瘦客户端界面访问，如浏览器（例如基于Web的邮件）。消费者不需要管理或控制任何云计算基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储，甚至的应用能力等等，消费者仅仅需要对应用进行有限的，特殊的配置。

PaaS（平台即服务）：提供给消费者的服务是把客户使用支持的开发语言和工具（例如Java、python、.Net等）开发的或者购买的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上。消费者不需要管理或控制底层的云基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储等，但客户能够控制部署的应用程序，也可能控制运行应用程序的托管环境配置。

IaaS（基础架构即服务）: 提供给消费者的服务是处理能力、存储、网络和其他基本的计算资源，用户能够利用这些计算资源部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。消费者不能管理或控制任何云计算基础设施，但能控制操作系统、储存、部署的应用，也有可能获得有的网络组件（例如，防火墙、负载均衡器等）的控制。

主要服务有： 简单来说：

IaaS给你的是远程的登录终端界面（虚拟服务器）或者Web Service接口（云存储）。

PaaS给你的是数据库连接串或者中间件部署界面，或者是应用的部署管理界面。 SaaS给你的就是访问应用的客户端或者Web界面。

8.物联网：物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。 8. （P93）什么是向量处理机？

答：向量是计算机系统中经常使用的一种数据类型，向量是有序、具有相同类型和位数的元素组成。它特别适合于进行流水树立。为了充分发挥流水线处理机的效率，实现高效能计算，有的流水线处理设置了向量数据表示和相应的向量指令。这种处理机称为向量处理机。 9. （P115）记分牌动态调度方法。

①实现对指令的动态调度的一个硬件，称为记分牌。该硬件主要维护三张表，分别用于记录指令的执行状态，功能部件状态，寄存器状态以及数据相关关系等。

②记分牌的目的是没有结构冲突时，今早可能的执行没有数据冲突的指令，实现每个时钟周期执行的一条指令。记分牌全面负责和管理这些指令的流出和执行。 ③记分牌主要用于浮点部件才有意义。 记分牌的流水线中的处理步骤： ① 流出 ②读操作数 ③执行 ④写结果 记分牌中记录的信息有三部分组成： ① 指令状态表 ②部件功能表 ③结果存储器状态表result。 11.（P155）什么叫循环展开？

答：循环展开就是指循环体的代码复制多次并按顺序排放，然后相应调整循环的结束条件。通过循环展开，多个循环迭代的代码可以合到一起调度，给编译器进行指令调度带了更大的空间，而且还能够消除中间的分支指令和循环指令控制指令引起的开销。 12. 网络规模：

答：网络规模是指互联网中结点的个数。通俗的讲：网络规模就是很多电脑联网在一起，相当于布置一个局域网，如何设置子网掩码，才节约IP。 13. 互联网络：（三大要素：互联结构，开关元件，控制方式）

答：互联网络是一种由开关原件按照移动的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统结构中的节点之间的相互联系。 14. 阵列处理机：

答：并行处理机是指重复设置多个同样的处理单元，按照一定的方式相互连接，在同一的控制部件作用下，各自对分配来的数据并行地完成一条指令所规定的操作。由于并行处理单元通常构成阵列，故又称阵列处理机。 15.向量/矢量处理机：

答：向量处理机（vector computer），面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计

算机。 采用先行控制和重叠操作技术、运算流水线、交叉访问的并行存储器等并行处理结构，对提高运算速度有重要作用。 16.I/O系统的性能： 答：输入/输出系统是计算机中不可或缺的一部分，如果CPU的速度提高了100倍，可是I/O系统的性能没有提高，那样CPU的性能90%就是白白的浪费。所以I/O系统的性能密切影响计算机的性能。基本的I/O方式：程序控制方式、中断方式、DMA方式。 17.(357)集中式阵列处理结构：

答：存储器由K个存储体集中组成，经互联网络ICN为全部N个处理单元所共享。共享的多体并行存储器SM通过对准网络与各处处理单元PE相连。结构如下图

CU 向量指令 PE0 PE1 …… PEn-1 互连网络/对准网络 SM0 SM1 …… SMk-1

存储器总线 18.存储器的存储结构：

高 I/O总线 CPU 速

存储器 寄存器缓输入/输出设备 19.并行机： 存 答：并行性，是指计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。 特点：同时性，并发性。 并行处理机又叫SIMD计算机。它是单一控制部件控制下的多个处理单元构成的阵列，所以又称为阵列处理机。

IOP 20.（P272）互联网络的结构参数：

答：①网络规模N ②结点度d ③结点距离 ④网络直径D ⑤等分宽度b ⑥对称性

21.提高并行性的技术途径：

答：①时间重叠: ②资源重复; ③资源共享。 22.（P157）全局指令调度：

答：一般来说，高效地优化含有分支结构的循环体需要在多个基本块间移动指令，这种调度称为全局指令调度。全局指令调度的目标：保持原有数据相关和控制相关不变的前提下，尽可能地缩短包含分支结构的代码段的总执行时间。

局部调度的含义：局限于一个基本快内，只处理该基本快中的调度问题。最主要的局部调度算法是基本表。

23.计算机的三级存储体系：

答：目前大多数计算机都采用了由Cache（高速缓存存储器），主存储器和磁盘存储器（辅存）构成的三级存储系统。 24.互联网络是什么网络？

答：互联网络（Internet）是一种把许多网络都连接在一起的国际性网络，是最高层次的骨干网络。在它下面连接地区性网络，地区性网络与广域网(ＷＡＮ) 相连接，广域网连接局域网（ＬＡＮ），局域网里连接着许多计算机。这样，把许多计算机连接在一起，实现资源共享。(详细见13定义) 25.（P345~350）什么叫机群(集群)系统？

答：由多台同构或异构的计算机通过高性能网络连接在一起而构成的高性能并行计算机系统叫机群（集群）系统。 计算机系统的分类： 答：1.PC机群 2.向量处理机（PVP） 3.对称处理机（SMP） 4.大规模并行处理机（MPP） 5.分布共享存储（DSM）多处理机。 机群分类： 答：（1）高可用性机群，主要适用于Web服务器，医学监测仪，银行POS系统。 主要目的，系统某结点出现故障，人能够提供对外服务。

（2）负载均衡机群，主要适用于大规模网络应用（Web或FTP），提供静态数据的服务。主要目的，提供与结点个数正比的负载能力。

（3）高性能计算机群，主要适用于计算了巨大的并行应用（如，石油矿藏定位，气象模型，基因序列分析等）。主要目的，降低高性能计算的成本。 机群特点：

（1）系统开发周期短 （2）可靠性高 （3）可扩放性强 （4）性能价格比高 （5）用户编程方便。

26.（P241）I/O系统包括哪些？

答：I/O系统包括，I/O设备以及I/O设备与处理机的连接。

I/O系统性能的参数：连接特性，I/O系统的容量，响应时间和吞吐率。 I/O系统的可靠性、可用性和可信性。

可靠性：系统从某个地方初始参考点开始一直连续提供服务的能力，用平均无故障时间MTTF来衡量。

可用性：系统正常工作时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。 可用性=MTTF/MTTF+MTTR(MTTR是平均修复时间) 27.（192）Cache的映像规则：

基础知识：Cache是按块进行管理的。Cache和主存均被分成大小相同的块，信息以块为单位调入Cache。相应地，CPU的访存地址也被分割成两部分：块地址和快内位移。如下所示：

主存地址： 块地址 块内位移

映像规则有一下三种：

（1） 全相连映像：主存中的任意一块可以被放置到Cache中的任意位置。 （2） 直接映像：主存中的每一块只能被放置到Cache中的唯一一个位置。 （3） 组相连映像：Cache被等分为若干组，每组由若干个块构成，主存中

的每一个块可以被放置到Cache中唯一的一个组成的任意位置。

28.（P369）数据流计算机的工作方式是什么？（一般采用数据驱动方式工作）

答：在数据流计算机结构中以“数据驱动”方式启动指令的执行。按照这种方式，程序中任一条指令只要其所需的操作数已经全部齐备，且有可使用的计算资源就可立即启动执行（称为点火）。指令的运算结果又可作为下一条指令的操作数来驱动该指令的点火执行。这就是“数据驱动”的含义。在数据流计算机模型中不存在共享数据，一条指令执行后不送存储器保存，以供其他指令共享，而是直接流向需要该结果的指令，作为新的操作数供下一条指令使用，每个操作数经过指令的一次使用后便消失。 29.（P159）踪迹调度和超快调度：

1.踪迹调度：踪迹是程序执行的指令序列，通常由一个活多个基本快组成，trace内可以有分支，但一定不能包含循环。踪迹调度会优化执行频率高的trace，减少执行开销。 踪迹调度过程分为两步：（1）踪迹选择，负责从程序的控制流图中选择执行频率较高的路径，每条路径就是一条trace。（2）踪迹压缩，即已生成的trace进行指令调度和优化，尽可能地压缩其执行时间。

2.超快调度：如果trace入口或者出口在trace内部，编译器很难生存补偿代码，为了解决踪迹调度的这一缺点，增加了对trace拓扑结构的约束，将其为只能拥有一个入口，但可以拥有很多出口的结构，这种新的结构称为超块。 30.（P298）存储器系统结构和通信机制：

答：在逻辑地址空间的组织方式一起处理器之间通信方法有两种方案。

第一种方案把物理上分离的所有存储器作为一个统一的共享逻辑空间进行编址，这样任何一个处理器都可以访问该共享空间中的任何一个单元，不痛处理器上的同一个物理地址指向的同一个存储单元。这类计算机被称为分布式共享存储器系统DSM。 第二种方案是把每个结点中的存储器编址为一个的地址空间，不同结点中的地址空间是相互的。整个系统的地址空间是由多个的地址空间构成的，每个结点的存储器只能由本地处理器进行访问，远程处理器不能直接进行访问。

对于以上两种地址空间组织方案分别相应的通信机制。共享地址空间计算机系统是采用共享存储器通信机制，处理器之间是通过load和store指令对相同存储器地址进行读/写操作来实现的。采用多个空间的计算机系统，数据通信要通过在处理器之间显式地传递消息来完成，这称为消息传递通信机制。 31.什么叫静态互联网？

答：互联网分为两大类：静态互联网和动态互联网。静态互联网络是指结点之间有固定的连接通路，且运行中不能改变网络。动态互联网络是指由交换开关构成、可按运行程序的要求动态改变连接状态。静态互联网络比较适合用于构造通信模式可预测或可用静态连接实现的计算机。