【正文】 元素進(jìn)行處理的流水處理機(jī)。單功能流水線只能完成一種固定功能的流水線。哈佛結(jié)構(gòu)程序空間和數(shù)據(jù)空間相互獨(dú)立，因而具有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。操作數(shù)表示硬件結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。即高級(jí)語言和機(jī)器語言是一一對(duì)應(yīng)的，這種機(jī)器稱為間接執(zhí)行型高級(jí)語言機(jī)器。指令集結(jié)構(gòu)的規(guī)整性沒有或盡可能減少例外的情況和特殊的應(yīng)用，以及所有運(yùn)算都能對(duì)稱、均勻地在存儲(chǔ)器單元或寄存器單元之間進(jìn)行。緊密耦合機(jī)間物理連接的頻帶較高，它們往往通過總線或高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，可以共享主存。時(shí)間重疊多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。字串位并同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。模擬用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的機(jī)器（稱為宿主機(jī)host）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（稱為虛擬機(jī)）的指令集。諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輸入/輸出方式程序控制（程序等待、程序中斷）、DMA、通道、I/O處理機(jī)相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM可按內(nèi)容訪問的存儲(chǔ)器。用戶可以隨時(shí)編寫一些這樣的程序來測(cè)試系統(tǒng)的各種功能，并產(chǎn)生用戶已預(yù)知的輸出結(jié)果，如皇后問題、迷宮問題、快速排序、求素?cái)?shù)、計(jì)算π等。CPI = 總時(shí)鐘周期數(shù) / IC反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。指令流機(jī)器執(zhí)行的指令序列。計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)。虛擬機(jī)器由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。可以用平面直角坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其橫坐標(biāo)表示字寬（n位），縱坐標(biāo)表示一次能同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)（m字）。Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。 IC / 時(shí)鐘頻率IC 程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)?？杉?xì)分為用戶CPU時(shí)間及系統(tǒng)CPU時(shí)間。目前最成功和最常見的測(cè)試程序套件是SPEC系列。兼容機(jī)不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。并發(fā)性兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的并行性。線程級(jí)并行并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。分布處理系統(tǒng)把若干臺(tái)具有獨(dú)立功能的處理機(jī)（或計(jì)算機(jī)）相互連接起來，在操作系統(tǒng)的全盤控制下，統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，而最少依賴集中的程序、數(shù)據(jù)或硬件。通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的三種類型寄存器－寄存器型（RR：RegisterRegister）寄存器－存儲(chǔ)器型（RM：RegisterMemory）存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型（MM：MemoryMemory）CISC復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。諾依曼型機(jī)器縮小許多。分支當(dāng)控制指令是有條件改變控制流時(shí)，稱之為分支。第3章 流水線技術(shù)一次重疊執(zhí)行方式把執(zhí)行第k條指令與取第k+l條指令同時(shí)進(jìn)行。時(shí)(間)空(間)圖用來描述流水線的工作，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)代表流水線的各段。處理機(jī)級(jí)流水線（指令流水線）把解釋指令的過程按照流水方式處理。每一個(gè)任務(wù)在流水線的各段中是一個(gè)跟著一個(gè)順序流動(dòng)的。排空時(shí)間流水線中最后一個(gè)任務(wù)通過流水線所需的時(shí)間。名相關(guān)如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱這兩條指令存在名相關(guān)?？刂葡嚓P(guān)由分支指令引起的相關(guān)。寫后讀沖突（RAW）考慮流水線中的兩條指令i 和j，且i在j之前進(jìn)入流水線中，j的執(zhí)行要用到i的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)它們?cè)诹魉€中重疊執(zhí)行時(shí)，j可能在i寫入其計(jì)算結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的寄存器進(jìn)行讀操作，從而得到錯(cuò)誤的值。預(yù)測(cè)分支成功的方法一旦流水線譯碼到一條指令是分支指令，且完成了分支目標(biāo)地址的計(jì)算，我們就假設(shè)分支轉(zhuǎn)移成功，并開始在分支目標(biāo)地址處取指令執(zhí)行。存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型操作的運(yùn)算流水線向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲(chǔ)器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲(chǔ)器相聯(lián)，構(gòu)成MM型的運(yùn)算流水線。向量處理機(jī)的峰值性能R165。程序順序由源程序確定的在完全串行方式下指令的執(zhí)行順序。精確異常當(dāng)執(zhí)行指令i導(dǎo)致發(fā)生異常時(shí)，處理機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)跟嚴(yán)格按程序順序執(zhí)行時(shí)指令i的現(xiàn)場(chǎng)相同。分支歷史表BHT記錄分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況（成功或不成功），并據(jù)此進(jìn)行預(yù)測(cè)。在指令操作完成后到指令被確認(rèn)的這一時(shí)間段內(nèi)，為指令保存數(shù)據(jù)。循環(huán)展開技術(shù)開發(fā)循環(huán)級(jí)并行的一種基本技術(shù)。不命中率或失效率FCPU在第一級(jí)存儲(chǔ)器中找不到所需數(shù)據(jù)的概率。直接映像當(dāng)把一個(gè)塊從主存調(diào)入Cache時(shí)，它只能被放置到Cache中唯一的一個(gè)位置。最近最少使用法(LRU)選擇近期最少被訪問的塊作為被替換的塊。強(qiáng)制性失效當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊不在Cache中，需從下一級(jí)存儲(chǔ)器中調(diào)入Cache，這就是強(qiáng)制性失效。采用這種方法時(shí)，在命中情況下，訪問Cache的過程和直接映像Cache中的情況相同；而發(fā)生失效時(shí)，在訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器之前，會(huì)先檢查Cache另一個(gè)位置（塊），看是否匹配。非阻塞Cache或非鎖定CacheCache在等待預(yù)取數(shù)據(jù)返回的同時(shí)，還能繼續(xù)提供指令和數(shù)據(jù)。請(qǐng)求字一旦到達(dá)，就立刻送往CPU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)從存儲(chǔ)器調(diào)入該塊的其余部分。在完成地址變換之后，再把得到的物理地址與標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較。DRAM專用交叉結(jié)構(gòu)Nibble方式、Page方式、Static column方式。有效構(gòu)建方法在構(gòu)建系統(tǒng)的過程中消除故障隱患，這樣建立起來的系統(tǒng)就不會(huì)出現(xiàn)故障。數(shù)據(jù)字以位交叉方式分別記錄在各個(gè)磁盤上，編碼位被存放在多個(gè)校驗(yàn)（Ecc）磁盤的對(duì)應(yīng)位上。即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的冗余盤，而是把冗余的奇偶校驗(yàn)信息均勻地分布在所有磁盤上。通道處理機(jī)能夠執(zhí)行有限I/O指令，并且能夠被多臺(tái)外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處理機(jī)。在傳送數(shù)據(jù)期間，該通道只能為一臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)，但在不同的時(shí)間內(nèi)可以選擇不同的設(shè)備。線路交換源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間的物理通路在整個(gè)數(shù)據(jù)傳送期間一直保持連接。互連函數(shù)用變量x表示輸入（設(shè)x=0，1，…，N－1），用函數(shù)f(x)表示輸出，通過數(shù)學(xué)表達(dá)式建立輸入端與輸出端的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。逆均勻洗牌函數(shù)將輸入端的二進(jìn)制編號(hào)循環(huán)右移一位而得到所連接的輸出端編號(hào)。其結(jié)點(diǎn)數(shù)稱為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果從其中的任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)看，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是一樣的，則稱此網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)。增加的鏈路愈多，結(jié)點(diǎn)度愈高，網(wǎng)絡(luò)直徑就愈小。交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)輸入端通過一個(gè)交叉點(diǎn)開關(guān)無阻塞地與一個(gè)空閑輸出端相連。傳輸時(shí)間全部的消息量除以線路帶寬。共享數(shù)據(jù)的遷移把遠(yuǎn)程的共享數(shù)據(jù)項(xiàng)副本放在本處理器局部的Cache中使用，從而降低了對(duì)遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)的訪問延遲。這些Cache通常連在共享存儲(chǔ)器的總線上，各個(gè)Cache控制器通過監(jiān)聽總線來判斷它們是否有總線上請(qǐng)求的數(shù)據(jù)塊。柵欄的典型實(shí)現(xiàn)是用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)鎖：一個(gè)用來記錄到達(dá)柵欄的進(jìn)程數(shù)，另一個(gè)用來封鎖進(jìn)程直至最后一個(gè)進(jìn)程到達(dá)柵欄。從用戶的角度來看，機(jī)群就是一個(gè)單一、集中的計(jì)算資源。目前最重要的一個(gè)基于消息傳遞的并行編程工具，它具有可移植性好、功能強(qiáng)大、效率高等許多優(yōu)點(diǎn)，而且有許多不同的免費(fèi)、高效、實(shí)用的實(shí)現(xiàn)版本。它采用冗余機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)結(jié)點(diǎn)由于軟、硬件故障而失效時(shí)，該結(jié)點(diǎn)上的任務(wù)將在最短的時(shí)間內(nèi)被遷移到機(jī)群內(nèi)另一個(gè)具有相同功能與結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上繼續(xù)執(zhí)行。企業(yè)機(jī)群它是為了充分利用各個(gè)結(jié)點(diǎn)的空閑資源而設(shè)計(jì)的，各個(gè)結(jié)點(diǎn)分散安放，各結(jié)點(diǎn)之間一般通過標(biāo)準(zhǔn)的LAN或WAN互連，通信開銷較大，延遲較長(zhǎng)。它們都是以執(zhí)行一串Ｎ級(jí)指令來實(shí)現(xiàn)N+1級(jí)指令，但二者存在著差別：翻譯技術(shù)是先把N+1級(jí)程序全部變換成N級(jí)程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級(jí)程序，在執(zhí)行過程中N+1級(jí)程序不再被訪問。8. 對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展非常關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有哪些？（1） 邏輯電路（2） 半導(dǎo)體DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器) （3） 磁盤（4） 網(wǎng)絡(luò)9. 實(shí)現(xiàn)軟件移植的主要途徑有哪些？(1) 采用系列機(jī)方法(2) 采用模擬與仿真方法(3) 采用統(tǒng)一的高級(jí)語言10. 試以系列機(jī)為例，說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。（4）控制流由指令流產(chǎn)生。15. 一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期是怎樣的？計(jì)算機(jī)的生命周期和系統(tǒng)中各個(gè)部分的發(fā)展密切相關(guān)。18. SPEC2000測(cè)試程序組件中包括哪幾個(gè)測(cè)試程序組件？（1）SPEC CPU2000：測(cè)試CPU；（2）SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫(kù)的性能；（3）SPECapc：測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能；（4）SPECSFS：基于NFS文件系統(tǒng)的文件服務(wù)器測(cè)試程序；（5）SPECWeb：Web服務(wù)器測(cè)試程序。21. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？ （1）大概率事件優(yōu)先原則：對(duì)于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。（4）任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。（3） 多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD，Multiple Instruction stream Single Data stream）。（3）資源共享。 (3) 操作數(shù)的尋址方式。寄存器－存儲(chǔ)器型。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。通常將尋址方式編碼于操作碼中。 (3) 混合型編碼格式。寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實(shí)現(xiàn)的，16位絕對(duì)尋址是通過把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址寄存器來完成的。3. 按照同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式來分，流水線可分為哪兩類？ （1）靜態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。（2）非線性流水線：流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。11. 什么叫相關(guān)？流水線中有哪幾種相關(guān)？ 相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。如果指令j和指令i寫相同的名，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。如果能夠?qū)⒂?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到需要它的地方，就可以避免暫停。 （4）重新組織代碼順序。(3) 延遲分支方法。(2) 盡早計(jì)算出分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)的PC值（即分支的目標(biāo)地址）。，而不需要暫停嗎？試舉例說明。13. 流水線沖突有哪幾種？流水線沖突有以下3種類型：（1）結(jié)構(gòu)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。相關(guān)有3種類型，分別是數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)。它們分別是：取指令周期（IF）、指令譯碼/讀寄存器周期（ID）、執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX）、存儲(chǔ)器/分支完成周期（MEM）、寫回周期（WB）。4. 按照流水的級(jí)別來分，流水線可分為哪三類？ （1）部件級(jí)流水線（運(yùn)算操作流水線）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。（2）每個(gè)子過程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)。19. MIPS中有哪些寄存器？ （1）32個(gè)通用寄存器。17. 在控制指令中使用PC相對(duì)尋址方式有什么優(yōu)點(diǎn)？(1) 有效地縮短指令中表示目標(biāo)地址的字段的長(zhǎng)度。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加了CPU對(duì)指令譯碼的難度。11. RISC和CISC處理機(jī)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在指令格式、尋址方式和每條指令的周期數(shù)（CPI）三方面有哪些區(qū)別？ 比較內(nèi)容CISCRISC指令格式變長(zhǎng)編碼定長(zhǎng)編碼尋址方式各種都有只有l(wèi)oad/store指令可以訪存CPI遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1為112. 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？(1) 指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向。9. 增強(qiáng)CISC機(jī)器的指令功能主要從哪幾方面著手？(1) 面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能。7. 三種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)分別有什么優(yōu)缺點(diǎn)？指令集結(jié)構(gòu)類型優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)寄存器－寄存器型（0,3）簡(jiǎn)單，指令字長(zhǎng)固定，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近和ALU指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令集結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，因而其目標(biāo)代碼量較大寄存器－存儲(chǔ)器（1,2）可以直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行訪問，容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，且其目標(biāo)代碼量較小指令中的操作數(shù)類型不同。 (5) 操作數(shù)的類型和大小。28. 多機(jī)系統(tǒng)的耦合度可以分為哪幾類？（1）最低耦合：除通過某種中間存儲(chǔ)介質(zhì)之外，各計(jì)算機(jī)之間沒有物理連接，也無共享的聯(lián)機(jī)硬件資源。？分類的依據(jù)是什么？Flynn分類法：按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。24. 從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級(jí)從低到高可以分為哪幾級(jí)？從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級(jí)從低到高可以分為：（1）字串位串：同時(shí)只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。（2）Business Winstone 2004主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的綜合性能。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生到消亡，大致需要15～20年的時(shí)間。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數(shù)和操作結(jié)果的地址。一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成；一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過程中不產(chǎn)生翻譯出來的程序，因此解釋過程是邊變換邊執(zhí)行的過程。結(jié)