【计算机系统结构】期末考试备考复习宝典（必考考点–建议收藏）

要期末考试了，整理一份宝典备考之计算机系统结构的知识点。文章内容由William_Tao(攻城狮)提供，觉得不错的话，点赞支持一波！（公众号：小白IT梦）

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♈️考试题型

一、单选题（共5题，每题2分，共10分）

二、术语解释（共5小题，每小题3分，共15分）

三、简答题（共5小题，每小题5分，共25分）

四、综合应用题（共4小题，前两小题每题10分，后两小题每道15分，共50分

♈️考点范围

考查知识点：

第一章

计算机系统结构的定义；

计算机系统结构的Flynn分类法；

计算机系统设计的定量原理（4个），熟练运用Amdahl定律和CPU性能公式（例1.1、例1.2、例1.3）；

理解执行时间和吞吐率的含义；

系列机的含义与软件兼容方式；

模拟与仿真的区别；

并行性、同时性、并发性的含义；

提高并行性的技术途径。

第二章

根据存储操作数的存储单元的类型对指令集结构进行分类，以及每类的特点（图2.1和表2.1）；
寻址方式的含义，熟悉各种常见寻址方式（表2.4）；
偏移寻址方式中偏移量的取值范围的特点，立即数寻址方式中立即数的取值范围的特点（图2.2~图2.4）；
CISC指令集结构存在的问题，RISC指令集结构的设计原则；
能够改变控制流的4种指令类型；
数据表示的含义，操作数类型的两种表示方法；
指令集的3种编码格式；
MIPS的寄存器和数据寻址方式的特点；
MIPS的3种指令格式中各字段的含义；
MIPS的4种操作类型（表2.11），控制指令的组成（表2.13）。

说明：对于第8、9、10点，只需理解，不要求能熟练运用。

第三章

流水线的概念与时空图；
流水线的分类：

a) 单功能流水线与多功能流水线；

b) 静态流水线与动态流水线；

c) 部件级、处理机级、处理机间流水线；

d) 线性流水线与非线性流水线；

e) 顺序流水线与乱序流水线。

计算以下两种情况流水线的吞吐率：

a) 各段时间均相等的流水线；

b) 各段时间不完全相等的流水线。

解决流水线瓶颈问题的常用2种方法；
计算流水线的加速比和效率（例3.1和例3.2）；
经典5段流水线的执行过程；
指令相关（3种）的定义，运用换名技术解决名相关；
流水线冲突（3种）的定义，结构冲突和数据冲突的解决措施。

第五章

多级存储层次的设计目标（见图5.1）；
以下概念的含义：命中率、失效率、命中时间、失效开销，平均访存时间的计算公式；
3种映像规则的实现原理（见图5.7）；
Cache块的查找方法（见图5.8和图5.9）；
Cache的工作过程（见图5.11和图5.12）；
两种写策略的含义及其优缺点；
熟练运用平均访存时间公式、CPU时间公式、存储器停顿时钟周期数公式进行Cache性能分析（见例5.1、例5.2）；
Cache失效的3种类型，降低Cache失效率的4种方法（增加Cache块大小、提高相联度、Victim Cache（“牺牲”Cache）、伪相联映像Cache）；
减少Cache失效开销的3种方法（让读失效优先于写、写缓冲合并、采用两级Cache）；
减少命中时间的2种方法（容量小且结构简单的Cache、虚拟Cache）；

第七章

互连网络的定义与3大要素；
熟练运用以下互连函数：交换函数、均匀洗牌函数、蝶式函数、反位序函数、PM2I函数（见例7.1）；
以下静态互连网络的特性：线性阵列、环和带弦环、循环移数网络、树形和星形、网格和环网形、超立方体（见例7.2）；
2×2开关的4种连接方式，开关模块的3种控制方式；
了解总线网络、交叉开关网络、多级互连网络的构成（见图7.14~图7.17）。

第八章

依据存储器结构对多处理机进行分类（见图8.1和图8.2）；
分布式存储器多处理机的两种通信方式（共享地址空间、多个独立的地址空间）；
多处理机Cache一致性的定义；
两种共享数据状态跟踪技术（目录法和监听法）的实现过程；
两种更新协议（写作废协议和写更新协议）的实现过程；
采用监听协议实现Cache一致性的对称式共享存储器多处理机：

a) 系统结构（见图8.1）；

b) 监听协议的基本原理；

c) 分析Cache控制器在分别收到来自CPU请求和总线请求时，所执行的相应操作，并画出Cache块的状态转换图。

采用目录协议实现Cache一致性的分布式存储器多处理机：

a) 系统结构（见图8.8）；

b) 目录协议的基本原理；

c) 存储块的3种状态，以及在处理3种请求（读失效、写失效、数据写回）时，这3种状态的相互转换过程。

♈️复习重点以及题型（必考题型）

名词解释

参考我的另一篇博客
【计算机系统结构】期末考试备考复习宝典（搞定五十个必考名词解释）

🔴 计算机系统结构的Flynn分类法：

单指令单数据流
单指令多数据流
多指令单数据流
多指令多数据流

🔴 Amdahl定律:

$加速比 = 1 / [（ 1 - 可改进比） + 可改进比例 / 部件加速比]$

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🔴 （选择题）立即数寻址和偏移方式寻址/寄存器寻址的使用频率最高

🔴 （选择题）五段流水线

取指->译码->执行->存储->写回

🔴 （选择题）降低Cache不命中率的三种方法

增加Cache块的大小

增加Cache的容量
伪相联Cache
牺牲Cache
提高相联度

🔴 （选择题）容量不命中，冲突不命中，强制不命中相关结论

相联度越高，冲突不命中就越少
强制不命中和冲突不命中不受相联度的影响
强制不命中不受Cache容量的影响，但容量不命中却随着容量的增加而减少

🔴 （答题）通过时空图，来算吞吐量，效率，加速比

解题思路：

（1）判断流水线类型（静态or动态）

（2）数据相关性

（3）以瓶颈段作为参考标准

😆例题一

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😁例题一解法：
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😆例题二

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😁例题二解法：
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😆例题三

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😁例题三解法：

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😆例题四

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😁例题四解法：
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🔴 解决流水线瓶颈的常用方法

细分瓶颈段

重复设置瓶颈段

🔴 模拟与仿真的区别；

🎐1.6模拟： 用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令集

🎐1.7仿真： 用一台现有的计算机的微程序去解释实现另一台计算机的指令集

🔴并行性、同时性、并发性的含义

🎐并行性： 计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算和操作

🎐同时性： 两个或两个以上的事件同一时刻发生

🎐并发性： 两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生

🔴提高并行性的技术途径

时间重叠
资源重复
资源共享

🔴根据存储操作数的存储单元的类型对指令集结构进行分类，以及每类的特点

🔴几种互连函数的计算

交换函数-----简单来说就是对二进制的k位进行取反操作

均匀洗牌-----把输入端的二进制编号循环左移一位，（如果是子函数，就对后k位进行循环左一，如果是超函数就对前k位进行循环左移）

蝶式函数-----把输入端的二进制的最高位与最低位进行互换（子函数，超函数，类比均匀洗牌，也就是对前后k位的最高最低位进行互换）

反位序函数-----把输入端的二进制的各位次序颠倒过来

PM2I函数（加减2的i次方函数）-----就是对原来输入端的二进制进行加减2的i次方（具体看后面例题是加还是减）

😆例题一：

✅分析：

首先将16表示成2的4次方，那么就可以用四位二进制表示 x3x2x1x0表示 13号处理器用二进制也就是1101

Cube3也就是将x3进行取反，然后转为十进制也就是5

其次，PM2+3也就是 (16+2^3)mod16 PM2-0也就是（16-2^0）mod16

然后，e（第四个，因为打不出来用e代替），均匀洗牌，将1101循环左移一位，然后转为十进制

最后e（e），也就是将1011进行均匀洗牌，方法同上，然后转为十进制

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😆例题二：

🔴 静态互连网络（选择题）

线性阵列：内部节点的度位2，端节点的度为1 直径为N-1 等分宽度为1

环：节点的度为2，双向环网络直径N/2，单向环直径为N-1

弦环：全连接的网络的节点度为15，直径为1

超立方体：如果要形成一个规模位N=2^n的n-立方体，只要把两个（n-1）立方体中的相应的节点用链路连接起来即可，供需2^(n-1)条链路

**🔴 2*2开关的4种连接方式**（选择题）

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🔴CPI的计算（大题）

$C P I = 基本 C P I + 远程访问率 * 远程访问开销$

😆例题一：

😆 例题二：

😆例题三：

🔴存储器系统结构和通信机制

统一编址独立编址
共享地址空间每一个节点中的存储器编制为一个独立的空间，地址空间相互独立
采用Load和Store指令对相对存储器地址进行读/写操作采用消息传递通信机制

统一编址	独立编址
`共享`地址空间	每一个节点中的存储器编制为一个独立的空间，地址空间相互`独立`
采用Load和Store指令对相对存储器地址进行读/写操作	采用`消息传递`通信机制

🔴分析目录协议和监听协议（大题–必考其一）

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目录协议工作原理

物理存储器中的数据块的共享状态被保存到一个称为目录的地方，目录协议实现开销比监听协议稍微大一些，但可用于实现大规模处理机

转换图

状态转换分析

当对Cache块进行写操作时，该Cache块必须处于独占状态，对于任何一个处于共享状态的块来说，其宿主存储器中的内容都是最新的。

当一个块处于未缓冲状态（U）时：

如果是RdMiss（读不命中），就将所要访问的存储器数据送往请求处理机，且该处理机成为该块的唯一共享节点。
如果是WtMiss（写不命中），就将所要访问的存储器数据送往请求处理机，该块的状态变成独占，表示该块仅存在于唯一的副本，该共享集仅包含该处理机。

当一个块处于共享状态（S）时：

如果是RdMiss（读不命中），就将所要访问的存储器数据送往请求处理机，将其加入共享集合
如果是WtMiss（写不命中），就将所要访问的存储器数据送往请求处理机，，对共享集合中的所有处理机，发送写作废消息，同时将共享集合改为仅含该处理机，该块的状态变为独占。

当一个块处于独占状态（E）时：

如果是RdMiss（读不命中），将“取数据”的消息发往拥有者处理机，将它所返回给宿主节点的数据写入存储器，并进而把该数据送回请求方处理机，将请求方处理机加入共享集合。
如果是WtMiss（写不命中），该块将有一个新的拥有者，给旧的拥有者处理机发送消息，要求它将数据块送回宿主节点写入存储器，然后再从该节点送给请求方处理机，同时还要把旧拥有者处理机中的该块作废。把请求处理机加入共享者集合，使之称为新的拥有者。
如果是WtBack（写回），当一个块的拥有者处理机要从其Cache中把该块替换出去时，必须将该块写回其宿主节点的存储器中，从而使存储器中相应的块中存放的数据时最新的，该块的状态变成未缓冲，其共享集合为空

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监听协议原理

当物理存储器中的数据被调入Cache时，其共享状态信息与该数据块一起放在该Cache中，系统没有集中的状态表。这些Cache通常连在共享存储器的总线上，当某个Cache需要访问存储器时，它会把请求放到总线上广播出去，其他各个Cache控制器通过监听总线来判断他们是否有总线上请求的数据块，如果有就进行相应操作

转换图

解释

状态I：

当CPU要进行读访问时，由于所要访问的块尚未调入Cache，所以发生读不命中，需要向总线发送RdMiss消息，调入该块后，把其状态改为共享状态（S）
当CPU要进行写访问时，由于所要访问的块尚未调入Cache，所以发生写不命中，，需要向总线发送WtMiss消息，调入该块后，把其状态改为已修改状态（M），这时该数据块在Cache中有唯一的副本。

状态S：

当CPU要进行读访问时，如果命中，则状态不变，否则就需要进行替换
当CPU要进行写访问时，先把Cache中相应块的状态改为已修改状态，再把数据写入，同时要作废所有其他Cache中的副本，在命中的情况下，无需调块，只要向总线发Invalidate消息，如果不命中就需要进行替换。

状态M：

这种情况下，当Cache读命中或写命中时，状态不变

解释

状态S：

这种状态表示，该块是一个只读副本。当远程处理器因进行读访问不命中，而在总线上发RdMiss时，
由于调块后不对该块进行写操作，所以本地Cache，中该块状态不变。
但如果远程节点是因为要进行写操作而往总线上发WtMiss或Invalidate消息，则需作废本地Cache中的该块，其状态改为I

状态M：

该种状态表示，该块是整个系统中唯一的最新副本。不管远程处理器，发的是读不命中还是写不命中，本Cache都需要将这个唯一的副本写回存储器，并终止读不命中或写不命中引发的对存储器的访问，改由本Cache提供该块。
在状态方面，RdMiss将导致本地Cache中该块的状态变为S，而WtMiss则将其状态修改为I，将之作废

♈️二、简答题（随机抽几道考察）

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？

➰**软件兼容：**同一软件可以修改的运行于系统结构的相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间不同。

➰软件兼容特征：

向上兼容
向下兼容
向前兼容
向后兼容
软件兼容的根本特征
向后兼容

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。

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
计算机系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种实现。同一系列机中各个型号的机器具有相同的系统结构，采用了不同的组成和实现，因此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？

大概率事件优先原则
Amdahl定律
程序局部性原理

4🔻 根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？

部件加速比
可改进比例

5. 🔻计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

时间重叠
资源重叠
资源共享

6. 🔻从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？

各种指令的使用频率相差悬殊
指令集庞大，指令条数多
许多指令由于操作繁琐，执行速度慢
规整性不好

7. 🔻RISC的设计原则是什么？

选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令。
每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器时钟周期内完成。
所有指令长度均相同。
只有Load和Store指令才访问存储器
大多数指令采用硬连逻辑实现
充分利用流水线技术来提高性能
强调优化编译器的作用

8. 🔻 MIPS采用哪几种寻址方式？

立即数寻址

偏移量寻址

9.🔻 流水技术有哪些特点？

流水线实际上把一个大的功能部件分解成多个独立的功能部件，并依靠他们的并行工作来提高吞吐率。.流水线各个时间段应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。
流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器。
流水线技术适合于大量重复时序过程，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。
流水线需要通过时间和排空时间。

10. 🔻 在段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？它们分别是什么？

执行需要几个时钟周期

5个时钟周期

分别为：

取指–>译码->执行->存储->写回

11. 🔻 评价流水线的性能指标是什么？

吞吐率
流水线的加速比
效率

12. 🔻 什么叫相关？流水线中有哪几种相关？

相关概念：两条指令之间存在某种依赖关系

包含：

数据相关
名相关：反相关，输出相关
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？

速度越快，每位价格就越高。
容量越大，每位价格就越低。
容量越大，速度越慢。

采用多级存储层次方法来解决

14. 🔻 在存储层次中应解决哪四个问题？

映像规则
查找算法
替换算法
写策略

15. 🔻 地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？

全相联映射：查找机制复杂，代价高，速度慢。

直接映射：查找简单速度快，cache空间的利用率低快，冲突概率较高。

组相联映射：是直接映射和全相联映射的一种折中。

16. 🔻 写策略主要有哪两种？它们各有什么优点？
♊️写策略主要两种 ♊️：

写直达： 不仅把数据写入Cache中的相应块，而且也写入下一级存储器。

写回法：只把数据写入Cache，不写入下一级存储器

♊️优缺点 ♊️：

写直达	写回法
速度`慢`	速度`快`
数据`一致`	数据`不一致`

17. 🔻 伪相联的基本思想是什么？

对伪相联Cache进行访问时，首先是与直接映射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，如果不命中，伪相联Cache会检查Cache另一个位置，看是否匹配，若这一块的标识匹配，称伪命中

18. 🔻 采用二级Cache的基本思想是什么？

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做得足够大时，他捕获更多本来需要到存储器的访问，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？

可以有效地提高cache访问速度。
足够小cache可以与处理机做在统一芯片上，以避免因芯片外访问和增加时间开销。

20. 🔻 “虚拟索引＋物理标识” Cache的基本思想是什么？

直接使用虚地址中的页内位移作为访问cache的索引但标识却是物理地址。
cpu发出访存请求后，再进行虚->实地址变化的同时可并行进行标识的读取，在完成地址变化之后，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？

第一，如果大多数的访问是针对本节点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。

第二，对局部存储器的访问延迟低。

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？

第一种：物理上分离带多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址

第二种：整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它们在逻辑上也有独立的，远程的处理器不能对直接寻址

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？

共享地址空间的机器： 可利用Load和Store指令中对地址隐含的进行数据通信，因而可称为共享存储机器。

多个地址空间机器： 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传递消息机器

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？

目录： 物理存储器中共享数据块的状态及相关信息均被保存在一个称为目录的地方

监听： 每个Cache除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。Cache通常连在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。

25.🔻 目录协议中，Cache块有哪三种状态？