1、1. 簡(jiǎn)述：1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究的目的，2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性的層次劃分。 1）、如何利用現(xiàn)有軟硬件技術(shù)，以并行、流水機(jī)制改變系統(tǒng)的工作方式，通過(guò)增加性能結(jié)構(gòu)，綜合軟硬件優(yōu)勢(shì)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能2）、 指令內(nèi)并行（從低層到高層）􀂉 指令級(jí)并行􀂉 任務(wù)（或過(guò)程）級(jí)并行􀂉 作業(yè)（或程序）級(jí)并行􀂉 在這種層次結(jié)構(gòu)中，高層并行性的實(shí)現(xiàn)中軟件比重逐漸加大，而硬件功能分擔(dān)比重逐漸減弱2. 簡(jiǎn)述：1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究?jī)?nèi)容；2）這三者之間的關(guān)系（要求附圖說(shuō)明）與系列機(jī)的定義。（1）、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：僅僅以程序員

2、看到的機(jī)器屬性作為體系結(jié)構(gòu)的定義是片面的，某些性能結(jié)構(gòu)對(duì)程序員透明􀂄 例如，高速緩沖存貯器、重疊和流水處理結(jié)構(gòu)等，在機(jī)器指令系統(tǒng)中一般無(wú)反映， 需要更深入了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯組成、性能結(jié)構(gòu)􀂉 因此，我們可以概略地認(rèn)為􀂉􀂉 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)和性能結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)作為一門學(xué)科，主要研究軟件、硬件功能分配以及高性能計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù) 計(jì)算機(jī)組成：是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括：􀂄 機(jī)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成及邏輯設(shè)計(jì)等，著重于機(jī)器內(nèi)部事件的時(shí)序和控制機(jī)構(gòu) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包

3、括：􀂄 處理機(jī)、主存貯器等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接等有關(guān)的制造工藝技術(shù) （2）關(guān)系：同一種體系結(jié)構(gòu)定義下有多種組成方案，同一種組成方案下又有多種實(shí)現(xiàn)方法（3）系列機(jī)的定義：同一廠家生產(chǎn)的具有基本相同體系結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)，形成的一系列不同檔次而軟件兼容的機(jī)器。3. 簡(jiǎn)述：1）程序局部性原理；2）程序局部性原理在多級(jí)存儲(chǔ)體系中的應(yīng)用。（1）程序局部性 在任一短時(shí)間范圍內(nèi)，程序?qū)Υ尜A器的訪問(wèn)往往集中于小的存貯器區(qū)域內(nèi)局部性表現(xiàn)為處理機(jī)發(fā)出的訪問(wèn)地址隨時(shí)間局部集中，在聚集區(qū)內(nèi)可出現(xiàn)重復(fù)地址（2）實(shí)現(xiàn)多級(jí)存貯器關(guān)鍵技術(shù)之一有新舊內(nèi)容替換

4、，這需要需要高效率的替換算法，LRU是一種基本的替換算法，它利用程序局部性特點(diǎn)，替換最近最少使用的頁(yè)面4. 簡(jiǎn)述提高存儲(chǔ)器帶寬的主要途徑。簡(jiǎn)述：1）存儲(chǔ)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，2）提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的基本途徑。1）存儲(chǔ)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo) 大容量；高速度；低價(jià)格2）提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的基本途徑。a.器件技術(shù)，縮短訪問(wèn)時(shí)間（T）b.多體并行存貯器結(jié)構(gòu)加寬存貯字長(zhǎng)度（W）􀃆超長(zhǎng)字存儲(chǔ)方案縮短平均訪問(wèn)周期（Ta）􀃆多模塊交叉存儲(chǔ)方案c.多級(jí)存貯器層次結(jié)構(gòu)以不同速度、容量的存儲(chǔ)器進(jìn)行層次化組織（Ta）即提高容量、帶寬，又降低成本，屬于高效率技術(shù)5. 超長(zhǎng)字存儲(chǔ)方案單緩

5、沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述。 單緩沖方案的讀/寫工作過(guò)程：(1）訪問(wèn)地址中的“行地址”與行地址寄存器比較； （2）如果比較“=”，則用訪問(wèn)“行內(nèi)地址”通過(guò)多路分配器/選擇器對(duì)緩沖行的對(duì)應(yīng)單元進(jìn)行讀/寫，如果寫入則設(shè)置修改標(biāo)志位，操作結(jié)束； （3）如果比較“”，則先將行緩沖中的已修改數(shù)據(jù)寫回存儲(chǔ)體，即根據(jù)修改標(biāo)志啟動(dòng)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)體，用關(guān)聯(lián)行地址寫入修改單元內(nèi)容。 （4）用訪問(wèn)“行地址”啟動(dòng)存儲(chǔ)體（整體），讀出訪問(wèn)行打入行緩沖，并清除全部修改標(biāo)志 位； （5）如果讀操作，則用訪問(wèn)“行內(nèi)地址”通過(guò)多路分配器/選擇器讀出緩沖行的對(duì)應(yīng)單元輸出到數(shù)據(jù)總線，轉(zhuǎn)（7）刷新行地址寄存器，結(jié)束 （6）如果寫操作，則用訪問(wèn)

6、“行內(nèi)地址”通過(guò)多路分配器/選擇器對(duì)緩沖行的對(duì)應(yīng)單元寫入總線數(shù)據(jù)，并設(shè)置修改標(biāo)志位； （7）用訪問(wèn)行地址刷新行地址寄存器，操作結(jié)束。6. 超長(zhǎng)字存儲(chǔ)方案雙緩沖結(jié)構(gòu)圖及工作原理描述。讀出工作過(guò)程：（1）訪問(wèn)地址中的“行地址”與地址寄存器中的舊地址比較，即與前次訪問(wèn)行的地址比較；（2）如果比較“=”，則說(shuō)明訪問(wèn)內(nèi)容已在行緩沖器中，用訪問(wèn)地址中的“行內(nèi)地址”通過(guò)多路選擇器MUX從行緩沖的選擇對(duì)應(yīng)單元內(nèi)容輸出；（3）如果比較“”，則說(shuō)明訪問(wèn)內(nèi)容不在行緩沖器中，啟動(dòng)存儲(chǔ)體讀出訪問(wèn)行送入行緩沖中，再由“行內(nèi)地址”通過(guò)多路選擇器MUX從行緩沖的選擇對(duì)應(yīng)單元內(nèi)容輸出；（4）如果比較“”，用訪問(wèn)行地址刷新地址寄

7、存器內(nèi)容，已備后續(xù)訪問(wèn)時(shí)定位。寫入工作過(guò)程：（1）訪問(wèn)地址中的“行地址”與地址寄存器中的關(guān)聯(lián)地址（舊地址）比較，即與前次訪問(wèn)行的地址比較；（2）如果比較“=”，說(shuō)明訪問(wèn)內(nèi)容已在行緩沖器中，則用訪問(wèn)地址中的“行內(nèi)地址”通過(guò)多路分配器將寫入數(shù)據(jù)保存寫緩沖行的對(duì)應(yīng)單元，并設(shè)置修改標(biāo)志位；（3）如果比較“”，說(shuō)明“寫緩沖器”內(nèi)容不是當(dāng)前訪問(wèn)行，則先將寫緩沖中的已修改數(shù)據(jù)寫回存儲(chǔ)體，即根據(jù)修改標(biāo)志條件啟動(dòng)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)體，用關(guān)聯(lián)行地址寫入修改單元內(nèi)容，并清除修改標(biāo)志位；再通過(guò)多路分配器將寫入內(nèi)容保存到寫行緩沖的對(duì)應(yīng)單元，并設(shè)置修改標(biāo)志位；（4）如果比較“”，用訪問(wèn)行地址刷新地址寄存器內(nèi)容，已備后續(xù)訪問(wèn)時(shí)定位。

8、7. 簡(jiǎn)述虛擬存儲(chǔ)器中的兩級(jí)地址變換過(guò)程（要求附圖說(shuō)明）與地址變換的加速方法。 首先是根據(jù)段號(hào)和當(dāng)前進(jìn)程的段表基地址（段表基地址+段號(hào)）􀂉 從存在主存中的段表查表，獲得該段的頁(yè)表基地址（從段號(hào)到頁(yè)表基地址的第一級(jí)變換）􀂉 再用頁(yè)號(hào)（頁(yè)表基地址+頁(yè)號(hào)）從頁(yè)表中查出實(shí)頁(yè)號(hào)，與頁(yè)內(nèi)地址拼裝成完整的實(shí)地址（從頁(yè)號(hào)到實(shí)頁(yè)號(hào)的第二級(jí)變換）地址加速：刷新 工作過(guò)程􀂉 首先通過(guò)TLB查表，如果TLB命中，則直接獲得實(shí)頁(yè)號(hào)，完成地址變換􀂉 如果TLB未命中，則啟動(dòng)兩級(jí)地址變換，獲得實(shí)頁(yè)號(hào)，并且將“段號(hào)頁(yè)號(hào)-實(shí)頁(yè)號(hào)”對(duì)應(yīng)關(guān)系存入TLB（刷新T

9、LBTLB）地址變換的加速方法：壓縮地址變換的級(jí)數(shù)：類似方案：虛頁(yè)號(hào)->實(shí)頁(yè)號(hào),利用程序的局部性特點(diǎn)，保存最近幾次頁(yè)面地址變換結(jié)果，構(gòu)成”虛頁(yè)實(shí)頁(yè)”轉(zhuǎn)換表，以備重復(fù)使用，并用硬件實(shí)現(xiàn)快速檢索，該機(jī)構(gòu)稱為地址轉(zhuǎn)換后備緩沖TLB8. 簡(jiǎn)述4路組相聯(lián)Cache的工作機(jī)制，并畫出邏輯結(jié)構(gòu)電路圖。（附圖說(shuō)明 組相聯(lián)Cache的訪問(wèn)過(guò)程：根據(jù)組號(hào)譯碼選組，獲取組內(nèi)全部行信息 同一組的行分配在不同的存貯體中，類似于交叉存貯一個(gè)組所有行的標(biāo)志段與訪問(wèn)標(biāo)志段進(jìn)行比較,需要4個(gè)比較器從匹配的行中用行內(nèi)地址選出數(shù)據(jù)為了減少延遲，數(shù)據(jù)選擇與標(biāo)志匹配過(guò)程并行，需要4個(gè)數(shù)據(jù)多路選擇器 如果組內(nèi)的標(biāo)志比較都不相等，則

10、數(shù)據(jù)不在Cache中，則需要訪問(wèn)主存調(diào)入一行數(shù)據(jù)，在同組內(nèi)替換一 個(gè)舊行9. 簡(jiǎn)述Cache的三種典型結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)（附地址劃分及引用圖說(shuō)明）。組相聯(lián)結(jié)構(gòu)：1)利用現(xiàn)有的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和工作方式（采用高速電路） 2）利用常規(guī)的單元電路模塊（比較器、多路選擇器MUX等） 3）綜合應(yīng)用于Cache的工作方式/訪問(wèn)過(guò)程 直接相聯(lián)結(jié)構(gòu)：訪問(wèn)地址劃分：同一行號(hào)即同一Cache行，在不同標(biāo)志值下對(duì)應(yīng)主存的不同行但這些主存行是特定的僅僅是主存行號(hào)低位部分與Cache行號(hào)相同的主存行缺點(diǎn)：地址映像不靈活，命中率不高優(yōu)點(diǎn)：直接利用行號(hào)定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，容量大，速度快全相聯(lián)結(jié)構(gòu)：完全通過(guò)標(biāo)志的相聯(lián)比較定位確定數(shù)據(jù)行

11、􀂄 所用的比較器多，Cache內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，訪問(wèn)速度慢，只適用于小容量Cache環(huán)境，例如，采用全相聯(lián)技術(shù)制作TLB 轉(zhuǎn)換后備緩沖器等缺點(diǎn)：容量小，速度慢優(yōu)點(diǎn)：地址映像最靈活，每個(gè)Cache行客映射帶任意行，命中率高10. 簡(jiǎn)述實(shí)地址Cache在虛擬存儲(chǔ)器中的工作過(guò)程及其加速作用。訪問(wèn)過(guò)程：􀂉查TLB，若命中則形成實(shí)地址，否則再進(jìn)行查段表、頁(yè)表形成實(shí)地址􀂉用實(shí)地址訪問(wèn)Cache，若命中則完成訪問(wèn)。否則啟動(dòng)主存進(jìn)行Cache替換實(shí)地址CacheCache支持下的兩級(jí)地址變換過(guò)程：（加速作用）􀂄 用段表實(shí)地址查Cache，

12、若命中則得到頁(yè)表入口實(shí)地址，否則啟動(dòng)主存調(diào)段表部分內(nèi)容送入Cache􀂄 用頁(yè)表實(shí)地址查Cache，若命中則得到實(shí)頁(yè)號(hào)，否則啟動(dòng)主存調(diào)段表部分內(nèi)容送入Cache實(shí)地址Cache的雙重作用：加速虛擬存貯器的訪問(wèn)加速虛地址到實(shí)地址的轉(zhuǎn)換11. 簡(jiǎn)述虛地址Cache在虛擬存儲(chǔ)器中的工作過(guò)程及其加速作用。1）、用虛地址低位作為Cache的行內(nèi)地址2）、虛地址高位作為Cache的地址標(biāo)志3）、Cache不命中需地址轉(zhuǎn)換，訪問(wèn)主存，刷新Cache4）、地址轉(zhuǎn)換同樣因TLB加速，但TLBTLB和虛地址CacheCache并行5）、當(dāng)虛地址Cache訪問(wèn)未命中時(shí)，需要地址轉(zhuǎn)換訪問(wèn)主存，替換Ca

13、che內(nèi)容6）、則首先是利用TLB轉(zhuǎn)換結(jié)果，如果TLB命中，直接獲得實(shí)頁(yè)號(hào)，通過(guò)地址拼裝再形成實(shí)地址，如果TLB未命中，則要通過(guò)查段、頁(yè)表作兩級(jí)地址變換獲得實(shí)頁(yè)號(hào)，同時(shí)將變換結(jié)果存入TLB進(jìn)行刷新加速作用：兩級(jí)地址變換的加速。注意:段表中存放的是頁(yè)表入口實(shí)地址，在進(jìn)程調(diào)入主存時(shí)由操作系統(tǒng)分配內(nèi)存時(shí)設(shè)置，段表入口實(shí)地址即段表基地址預(yù)先送入存貯控制器12. 簡(jiǎn)述影響流水線性能的主要因素，并舉例說(shuō)明流水線的阻塞情況以及提高流水線吞吐率的主要途徑。 1）、衡量流水線的性能指標(biāo)主要是吞吐率和效率 吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流水線完成的任務(wù)數(shù)量 效率：流水線各段的工作時(shí)間， t與流水線的總工作時(shí)間T之比影響流水線

14、性能的主要因素 下列因素： 指令長(zhǎng)度不均一 流水段操作時(shí)間不均一 轉(zhuǎn)移相關(guān) 下一條指令的地址依賴于上一條指令（轉(zhuǎn)移）的執(zhí)行結(jié)果 數(shù)據(jù)相關(guān) 數(shù)據(jù)相關(guān)指流水線中下一條指令的操作數(shù)依賴于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果 （5）、使實(shí)際環(huán)境偏離理想流水線條件，導(dǎo)致性能下降（資源沖突）13. 簡(jiǎn)述：流水段細(xì)分的目的與流水段細(xì)分的類型，并舉例說(shuō)明。目的：細(xì)分只是為了分時(shí)啟動(dòng)不同的功能模塊，并且等待幾個(gè)周期后從對(duì)應(yīng)的 模塊取得結(jié)果，多個(gè)模塊交叉重疊操作類型：1、串行流水結(jié)構(gòu) （細(xì)分功能段允許作串行多步處理，如乘除法運(yùn)算） 2、并行重疊結(jié)構(gòu)（ 細(xì)分功能段非串行多步處理，如存貯訪問(wèn)）14. 簡(jiǎn)述指令流水線中寄存器變名的作用

15、，并舉例說(shuō)明。 通過(guò)修改定向寄存器IDR指針來(lái)分配OPR，可以為一個(gè)LDR在OPR寄存器組中形成多個(gè)副本舉例：當(dāng)指令進(jìn)入執(zhí)行段時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器A分配幾個(gè)操作數(shù)寄存器OPR 假設(shè)A的初值在OPR1中，當(dāng)需要修改A時(shí)給它分配一個(gè)OPR，引用A的內(nèi)容變成引用A當(dāng)前對(duì)應(yīng)的OPR的內(nèi)容；當(dāng)指令按程序次序壓入執(zhí)行段中后，A按先后次序在執(zhí)行段中形成3個(gè)副本：OPR1、OPR2、OPR3，可交換并行/并發(fā)執(zhí)行15. 簡(jiǎn)述RISC處理器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 適應(yīng)流水線處理和減少指令譯碼延遲:需要簡(jiǎn)化指令格式和壓縮指令條數(shù)，采用統(tǒng)一的指令格式 RISC思想適合VLSI技術(shù):簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化指令譯碼和控制器的結(jié)構(gòu)，節(jié)省

16、芯片面積，用于制作寄存器堆和在片Cache，減少處理機(jī)與主存之間的信息流量 RISC設(shè)計(jì)技術(shù)中，十分重視指令流的統(tǒng)計(jì)分析和軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化編譯技術(shù)16. 假設(shè)功能A通過(guò)一4段流水線S1、S2、S3和S4實(shí)現(xiàn)，流水線預(yù)留表如下所示，試設(shè)計(jì)一種單功能流水線控制器，避免發(fā)生流水線沖突。T1T2T3T4T5T6T7T8S1XXXS2XXXS3XXS4XXX功能A預(yù)留表17. 簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其在流水線中的應(yīng)用。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制:數(shù)據(jù)流機(jī)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式工作，其工作原理與傳統(tǒng)的馮諾依曼機(jī)根本不同：它的指令不是在中央控制器的控制下順序執(zhí)行，而是在數(shù)據(jù)的可用性控制下并行執(zhí)行。可歸納為兩點(diǎn)：當(dāng)指令所需的數(shù)據(jù)可用時(shí)，該指令才可執(zhí)行（指令的執(zhí)行不受其它控制條件的約束，只要它所需的操作數(shù)齊備并且可用時(shí)即可同時(shí)執(zhí)行操作結(jié)果不受指令執(zhí)行順序的影響這是數(shù)據(jù)流機(jī)所特有的指令操作異步性和操作結(jié)果確定性）（2） 任何操作都是純函數(shù)操作（在數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中沒有變量概念，也不設(shè)置狀態(tài)，在指令之間直接傳送數(shù)據(jù)（傳