計算機系統(tǒng)結構
時間：2024-01-22 04:35:01 | 來源：信息時代
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第1章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 1.1 解釋下列術語
層次機構：按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結構，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機器級，傳統(tǒng)機器語言機器級，匯編語言機器級，高級語言機器級，應用語言機器級等。
虛擬機：用軟件實現的機器。
翻譯：先用轉換程序把高一級機器上的程序轉換為低一級機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現程序的功能。
解釋：對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執(zhí)行，如此反復，直到解釋執(zhí)行完整個程序。
計算機系統(tǒng)結構：傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。
在計算機技術中，把這種本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。
計算機組成：計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。
計算機實現：計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。
系統(tǒng)加速比：對系統(tǒng)中某部分進行改進時，改進后系統(tǒng)性能提高的倍數。
Amdahl定律：當對一個系統(tǒng)中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比。
程序的局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間局部性和空間局部性。
CPI：每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數。
測試程序套件：由各種不同的真實應用程序構成的一組測試程序，用來測試計算機在各個方面的處理性能。
存儲程序計算機：馮·諾依曼結構計算機。其基本點是指令驅動。程序預先存放在計算機存儲器中，機器一旦啟動，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動完成由程序所描述的處理工作。
系列機：由同一廠家生產的具有相同系統(tǒng)結構、但具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機。
軟件兼容：一個軟件可以不經修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行。差別只是執(zhí)行時間的不同。
向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。
向后（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后（前）投入市場的計算機。
兼容機：由不同公司廠家生產的具有相同系統(tǒng)結構的計算機。
模擬：用軟件的方法在一臺現有的計算機（稱為宿主機）上實現另一臺計算機（稱為虛擬機）的指令系統(tǒng)。
仿真：用一臺現有計算機（稱為宿主機）上的微程序去解釋實現另一臺計算機（稱為目標機）的指令系統(tǒng)。
并行性：計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時性與并發(fā)性兩種含義。
時間重疊：在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。
資源重復：在并行性概念中引入空間因素，以數量取勝。通過重復設置硬件資源，大幅度地提高計算機系統(tǒng)的性能。
資源共享：這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。
耦合度：反映多機系統(tǒng)中各計算機之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強弱。
緊密耦合系統(tǒng)：又稱直接耦合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，計算機之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關互連，可以共享主存。
松散耦合系統(tǒng)：又稱間接耦合系統(tǒng)，一般是通過通道或通信線路實現計算機之間的互連，可以共享外存設備（磁盤、磁帶等）。計算機之間的相互作用是在文件或數據集一級上進行。
異構型多處理機系統(tǒng)：由多個不同類型、至少擔負不同功能的處理機組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時間重疊原理，依次對它們的多個任務進行加工，各自完成規(guī)定的功能動作。
同構型多處理機系統(tǒng)：由多個同類型或至少擔負同等功能的處理機組成，它們同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務。
第2章 指令集結構的分類 解釋下列術語
堆棧型機器：CPU 中存儲操作數的單元是堆棧的機器。
累加器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是累加器的機器。
通用寄存器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是通用寄存器的機器。
CISC：復雜指令集計算機
RISC：精簡指令集計算機
尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數據的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數是一個常數、一個寄存器操作數或者是一個存儲器操作數。
數據表示：硬件結構能夠識別、指令系統(tǒng)可以直接調用的那些數據結構。
第3章 流水線技術
3.1解釋下列術語
流水線：將一個重復的時序過程，分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執(zhí)行。
單功能流水線：指流水線的各段之間的連接固定不變、只能完成一種固定功能的流水線。
多功能流水線：指各段可以進行不同的連接，以實現不同的功能的流水線。
靜態(tài)流水線：指在同一時間內，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。當流水線要切換到另一種功能時，必須等前面的任務都流出流水線之后，才能改變連接。
動態(tài)流水線：指在同一時間內，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實現某種運算時，另一些段卻在實現另一種運算。
部件級流水線：把處理機中的部件進行分段，再把這些部件分段相互連接而成。它使得運算操作能夠按流水方式進行。這種流水線也稱為運算操作流水線。
處理機級流水線：又稱指令流水線。它是把指令的執(zhí)行過程按照流水方式進行處理，即把一條指令的執(zhí)行過程分解為若干個子過程，每個子過程在獨立的功能部件中執(zhí)行。
處理機間流水線：又稱為宏流水線。它是把多個處理機串行連接起來，對同一數據流進行處理，每個處理機完成整個任務中的一部分。前一個處理機的輸出結果存入存儲器中，作為后一個處理機的輸入。
線性流水線：指各段串行連接、沒有反饋回路的流水線。數據通過流水線中的各段時，每一個段最多只流過一次。
非線性流水線：指各段除了有串行的連接外，還有反饋回路的流水線。
順序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。
亂序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成。這種流水線又稱為無序流水線、錯序流水線、異步流水線。
吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量。
流水線的加速比：使用順序處理方式處理一批任務所用的時間與按流水處理方式處理同一批任務所用的時間之比。
流水線的效率：即流水線設備的利用率，它是指流水線中的設備實際使用時間與整個運行時間的比值。
數據相關：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數據相關：
（1）指令j使用指令i產生的結果；
（2）指令j與指令k數據相關，而指令k又與指令i數據相關。
名相關：如果兩條指令使用了相同的名，但是它們之間并沒有數據流動，則稱這兩條指令存在名相關。
控制相關：是指由分支指令引起的相關。它需要根據分支指令的執(zhí)行結果來確定后面該執(zhí)行哪個分支上的指令。
反相關：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j所寫的名與指令i所讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關。
輸出相關：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j和指令i所寫的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關。
換名技術：名相關的兩條指令之間并沒有數據的傳送，只是使用了相同的名?？梢园哑渲幸粭l指令所使用的名換成別的，以此來消除名相關。
結構沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。
數據沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結果而發(fā)生的沖突。
控制沖突：流水線遇到分支指令或其它會改變PC值的指令所引起的沖突。
定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關的情況下，在計算結果尚未出來之前，后面等待使用該結果的指令并不見得是馬上就要用該結果。如果能夠將該計算結果從其產生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。
寫后讀沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進入流水線，指令j用到指令i的計算結果，而且在i將結果寫入寄存器之前就去讀該寄存器，因而得到的是舊值。
讀后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進入流水線，指令j的目的寄存器和指令i的源操作數寄存器相同，而且j在i讀取該寄存器之前就先對它進行了寫操作，導致i讀到的值是錯誤的。
寫后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進入流水線，，指令j和指令i的結果單元（寄存器或存儲器單元）相同，而且j在i寫入之前就先對該單元進行了寫入操作，從而導致寫入順序錯誤。這時在結果單元中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的。
鏈接技術：具有先寫后讀相關的兩條指令，在不出現功能部件沖突和Vi沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進行流水處理，以達到加快執(zhí)行的目的。
分段開采：當向量的長度大于向量寄存器的長度時，必須把長向量分成長度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個向量段。
半性能向量長度：向量處理機的性能為其最大性能的一半時所需的向量長度。
向量長度臨界值：向量流水方式的處理速度優(yōu)于標量串行方式的處理速度時所需的向量長度的最小值。
第4章 指令級并行
指令級并行：簡稱ILP。是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計算機可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。
指令調度：通過在編譯時讓編譯器重新組織指令順序或通過硬件在執(zhí)行時調整指令順序來消除沖突。
指令的動態(tài)調度：是指在保持數據流和異常行為的情況下，通過硬件對指令執(zhí)行順序進行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現象。是由硬件在程序實際運行時實施的。
指令的靜態(tài)調度：是指依靠編譯器對代碼進行靜態(tài)調度，以減少相關和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進行代碼調度和優(yōu)化的。
保留站：在采用Tomasulo算法的MIPS處理器浮點部件中，在運算部件的入口設置的用來保存一條已經流出并等待到本功能部件執(zhí)行的指令（相關信息）。
CDB：公共數據總線。
動態(tài)分支預測技術：是用硬件動態(tài)地進行分支處理的方法。在程序運行時，根據分支指令過去的表現來預測其將來的行為。如果分支行為發(fā)生了變化，預測結果也跟著改變。
BHT：分支歷史表。用來記錄相關分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況是成功還是失敗，并據此進行預測。
分支目標緩沖：是一種動態(tài)分支預測技術。將執(zhí)行過的成功分支指令的地址以及預測的分支目標地址記錄在一張硬件表中。在每次取指令的同時，用該指令的地址與表中所有項目的相應字段進行比較，以便盡早知道分支是否成功，盡早知道分支目標地址，達到減少分支開銷的目的。
前瞻執(zhí)行：解決控制相關的方法，它對分支指令的結果進行猜測，然后按這個猜測結果繼續(xù)取指、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是指令執(zhí)行的結果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB的緩沖器中。等到相應的指令得到“確認”（即確實是應該執(zhí)行的）后，才將結果寫入寄存器或存儲器。
ROB：ReOrder Buffer。前瞻執(zhí)行緩沖器。
超標量：一種多指令流出技術。它在每個時鐘周期流出的指令條數不固定，依代碼的具體情況而定，但有個上限。
超流水：在一個時鐘周期內分時流出多條指令。
超長指令字：一種多指令流出技術。VLIW處理機在每個時鐘周期流出的指令條數是固定的，這些指令構成一條長指令或者一個指令包，在這個指令包中，指令之間的并行性是通過指令顯式地表示出來的。
循環(huán)展開：是一種增加指令間并行性最簡單和最常用的方法。它將循環(huán)展開若干遍后，通過重命名和指令調度來開發(fā)更多的并行性。
第5章 存儲層次 多級存儲層次：采用不同的技術實現的存儲器，處在離CPU不同距離的層次上，各存儲器之間一般滿足包容關系，即任何一層存儲器中的內容都是其下一層（離CPU更遠的一層）存儲器中內容的子集。目標是達到離CPU最近的存儲器的速度，最遠的存儲器的容量。
全相聯(lián)映象：主存中的任一塊可以被放置到Cache中任意一個地方。
直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個地方。
組相聯(lián)映象：主存中的每一塊可以放置到Cache中唯一的一組中任何一個地方（Cache分成若干組，每組由若干塊構成）。
替換算法：由于主存中的塊比Cache中的塊多，所以當要從主存中調一個塊到Cache中時，會出現該塊所映象到的一組（或一個）Cache塊已全部被占用的情況。這時，需要被迫騰出其中的某一塊，以接納新調入的塊。
LRU：選擇最近最少被訪問的塊作為被替換的塊。實際實現都是選擇最久沒有被訪問的塊作為被替換的塊。
寫直達法：在執(zhí)行寫操作時，不僅把信息寫入Cache中相應的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應的塊。
寫回法：只把信息寫入Cache中相應塊，該塊只有被替換時，才被寫回主存。
按寫分配法：寫失效時，先把所寫單元所在的塊調入Cache，然后再進行寫入。
不按寫分配法：寫失效時，直接寫入下一級存儲器中，而不把相應的塊調入Cache。
命中時間：訪問Cache命中時所用的時間。
失效率：CPU訪存時，在一級存儲器中找不到所需信息的概率。
失效開銷：CPU向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數據調入一級存儲器所需的時間。
強制性失效：當第一次訪問一個塊時，該塊不在Cache中，需要從下一級存儲器中調入Cache，這就是強制性失效。
容量失效：如果程序在執(zhí)行時，所需要的塊不能全部調入Cache中，則當某些塊被替換后又重新被訪問，就會產生失效，這種失效就稱作容量失效。
沖突失效：在組相聯(lián)或直接映象Cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。
2：1Cache經驗規(guī)則：大小為N的直接映象Cache的失效率約等于大小為N /2的兩路組相聯(lián)Cache的實效率。
相聯(lián)度：在組相聯(lián)中，每組Cache中的塊數。
Victim Cache：位于Cache和存儲器之間的又一級Cache，容量小，采用全相聯(lián)策略。用于存放由于失效而被丟棄（替換）的那些塊。每當失效發(fā)生時，在訪問下一級存儲器之前，先檢查Victim Cache中是否含有所需塊。
故障性預?。涸陬A取時，若出現虛地址故障或違反保護權限，就會發(fā)生異常。
非故障性預?。涸陬A取時，若出現虛地址故障或違反保護權限，不發(fā)生異常。
非阻塞Cache：Cache在等待預取數據返回時，還能繼續(xù)提供指令和數據。
盡早重啟動：在請求字沒有到達時，CPU處于等待狀態(tài)。一旦請求字到達，就立即發(fā)送給CPU，讓等待的CPU盡早重啟動，繼續(xù)執(zhí)行。
請求字優(yōu)先：調塊時，首先向存儲器請求CPU所要的請求字。請求字一旦到達，就立即送往CPU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時從存儲器調入該塊的其余部分。
虛擬Cache：地址使用虛地址的Cache。
多體交叉存儲器：具有多個存儲體，各體之間按字交叉的存儲技術。
存儲體沖突：多個請求要訪問同一個體。
TLB：一個專用高速存儲器，用于存放近期經常使用的頁表項，其內容是頁表部分內容的一個副本。
第6章輸入輸出系統(tǒng) 響應時間：從用戶鍵入命令開始，到得到結果所花的時間。
可靠性：指系統(tǒng)從某個初始參考點開始一直連續(xù)提供服務的能力，它通常用平均無故障時間來衡量。
可用性：指系統(tǒng)正常工作的時間在連續(xù)兩次正常服務間隔時間中所占的比率。
可信性：指服務的質量，即在多大程度上可以合理地認為服務是可靠的。
RAID：廉價磁盤冗余陣列或獨立磁盤冗余陣列。
分離事務總線：將總線事務分成請求和應答兩部分。在請求和應答之間的空閑時間內，總線可以供給其它的I/O使用。采用這種技術的總線稱為分離事務總線。
通道：專門負責整個計算機系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。
通道流量：指一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送的數據量。
虛擬DMA：它允許DMA設備直接使用虛擬地址，并在DMA傳送的過程中由硬件將虛擬地址轉換為物理地址。
異步I/O：允許進程在發(fā)出I/O請求后繼續(xù)執(zhí)行，直到該進程真正訪問這些數據而它們又尚未就緒時，才被掛起。
第7章 互連網絡 線路交換：在線路交換中，源結點和目的結點之間的物理通路在整個數據傳送期間一直保持連接。
分組交換：把信息分割成許多組（又稱為包），將它們分別送入互連網絡。這些數據包可以通過不同的路徑傳送，到目的結點后再拼合出原來的數據，結點之間不存在固定連接的物理通路。
靜態(tài)互連網絡：各結點之間有固定的連接通路、且在運行中不能改變的網絡。
動態(tài)互連網絡：由交換開關構成、可按運行程序的要求動態(tài)地改變連接狀態(tài)的網絡。
互連網絡：一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網絡，用來實現計算機系統(tǒng)中結點之間的相互連接。在拓撲上，互連網絡是輸入結點到輸出結點之間的一組互連或映象。
互連函數：用變量x表示輸入，用函數f(x)表示輸出。則f(x)表示：在互連函數f的作用下，輸入端x連接到輸出端f(x)。它反映了網絡輸入端數組和輸出端數組之間對應的置換關系或排列關系，所以互連函數有時也稱為置換函數或排列函數。
網絡直徑：指互連網絡中任意兩個結點之間距離的最大值。
結點度：指互連網絡中結點所連接的邊數（通道數）。
等分帶寬：把由N個結點構成的網絡切成結點數相同（N/2）的兩半，在各種切法中，沿切口邊數的最小值。
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網站
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營銷
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設計
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運營
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優(yōu)化
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效率
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專注
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電商
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方案
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推廣
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