【正文】 互連）時(shí)間重疊（功能專(zhuān)用化）資源共享（網(wǎng)絡(luò)化）組成同類(lèi)型（同等功能）不同類(lèi)型（不同功能）不限制分工方式任務(wù)分布功能分布硬件、軟件、數(shù)據(jù)等各種資源分布工作方式一個(gè)作業(yè)由多機(jī)協(xié)同并行地完成一個(gè)作業(yè)由多機(jī)協(xié)同串行地完成一個(gè)作業(yè)由一臺(tái)處理機(jī)完成，必要時(shí)才請(qǐng)求它機(jī)協(xié)作控制形式常采用浮動(dòng)控制方式采用專(zhuān)用控制方式分布控制方式耦合度緊密耦合緊密、松散耦合松散、緊密耦合對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)的要求快速性、靈活性、可重構(gòu)性專(zhuān)用性快速、靈活、簡(jiǎn)單、通用第2章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 通?？砂茨?個(gè)因素對(duì)計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)？(1) 在CPU中操作數(shù)的存儲(chǔ)方法。(2) 指令中顯式表示的操作數(shù)個(gè)數(shù)。 (3) 操作數(shù)的尋址方式。 (4) 指令集所提供的操作類(lèi)型。 (5) 操作數(shù)的類(lèi)型和大小。2. 在對(duì)計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)的5個(gè)因素中，哪一種是各種指令集結(jié)構(gòu)之間最主要的區(qū)別？CPU中操作數(shù)的存儲(chǔ)方法，即在CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的類(lèi)型，是各種指令集結(jié)構(gòu)之間最主要的區(qū)別。3. 根據(jù)CPU內(nèi)部存儲(chǔ)單元類(lèi)型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪幾類(lèi)？堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)、通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。4. 堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和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(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)堆棧型是一種表示計(jì)算的簡(jiǎn)單模型；指令短小不能隨機(jī)訪問(wèn)堆棧，從而很難生成有效代碼。同時(shí)，由于堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實(shí)現(xiàn)累加器型減少了機(jī)器的內(nèi)部狀態(tài)；指令短小由于累加器是唯一的暫存器，這種機(jī)器的存儲(chǔ)器通信開(kāi)銷(xiāo)最大寄存器型易于生成高效的目標(biāo)代碼所有操作數(shù)均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長(zhǎng)5. 現(xiàn)代大多數(shù)機(jī)器均采用通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)，為什么？主要有兩個(gè)方面的原因，一是寄存器和CPU內(nèi)部其他存儲(chǔ)單元一樣，要比存儲(chǔ)器快；其次是對(duì)編譯器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。6. 通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)可細(xì)分為哪三類(lèi)？寄存器－寄存器型。寄存器－存儲(chǔ)器型。存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型。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(lèi)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(wèn)，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(lèi)型不同。在一條指令中同時(shí)對(duì)一個(gè)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，將限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。由于指令的操作數(shù)可以存儲(chǔ)在不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器單元，所以每條指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)也不盡相同存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型（3,3）是一種最緊密的編碼方式，無(wú)需“浪費(fèi)”寄存器保存變量指令字長(zhǎng)多種多樣。每條指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)也大不一樣，對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)將導(dǎo)致存儲(chǔ)器訪問(wèn)瓶頸問(wèn)題8. 從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)看，CISC結(jié)構(gòu)有什么缺點(diǎn)？（1）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（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。（5）在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的性能。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。(2) 面向高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序改進(jìn)指令系統(tǒng)。(3) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)。10. RISC的設(shè)計(jì)原則是什么？（1）選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令。（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。（3）所有指令長(zhǎng)度均相同。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。 （5）以簡(jiǎn)單、有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言。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。 (2) 尋址方式的設(shè)計(jì)。(3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類(lèi)型。(4) 尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個(gè)單獨(dú)的域來(lái)表示。 (5) 指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長(zhǎng)編碼格式、固定長(zhǎng)度編碼格式和混合型編碼格式三種。13. 指令中有哪兩種表示操作數(shù)類(lèi)型的方法？（1）操作數(shù)的類(lèi)型由操作碼的編碼指定，這是最常見(jiàn)的一種方法。（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(lèi)型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。14．指令中表示尋址方式的主要方法有哪些？表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，操作碼在描述指令功能的同時(shí)也描述了相應(yīng)的尋址方式。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。（2）為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。 15. 指令集格式設(shè)計(jì)中選擇表示尋址方式的依據(jù)是什么？主要由指令集結(jié)構(gòu)所采用的尋址方式種類(lèi)及其適用范圍，以及操作碼與尋址方式之間的獨(dú)立程度來(lái)決定。如果某些指令集結(jié)構(gòu)的指令有1～5個(gè)操作數(shù)，每個(gè)操作數(shù)有10種尋址方式，對(duì)于這種大規(guī)模的操作數(shù)和尋址方式組合，通常采用增設(shè)地址描述符的方法來(lái)描述尋址方式。對(duì)諸如load/store類(lèi)型指令集結(jié)構(gòu)的指令，由于只有1～3個(gè)操作數(shù)，而且只有有限幾種尋址方式。通常將尋址方式編碼于操作碼中。16. 指令集結(jié)構(gòu)中采用多種尋址方式有何優(yōu)缺點(diǎn)？在指令集結(jié)構(gòu)中采用多種尋址方式可以顯著地減少程序的指令條數(shù)；但同時(shí)也可能增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和使用這些尋址方式的指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)（CPI）。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。 (2) 使得代碼在執(zhí)行時(shí)與它被載入的位置無(wú)關(guān)。18. 在指令集格式的設(shè)計(jì)時(shí)，通?？蛇x擇哪幾種指令格式？(1) 變長(zhǎng)編碼格式。這種編碼方式可以有效減少程序的目標(biāo)代碼大小。(2) 定長(zhǎng)編碼格式。這種編碼方式可以降低譯碼的復(fù)雜度，提高譯碼的性能。 (3) 混合型編碼格式。兼顧降低目標(biāo)代碼長(zhǎng)度和降低譯碼復(fù)雜度。19. MIPS中有哪些寄存器？ （1）32個(gè)通用寄存器。（2）32個(gè)浮點(diǎn)寄存器。（3）一些特別的寄存器。20. MIPS有哪幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型？（1）整數(shù)：字節(jié)（8位），半字（16位），字（32位）和雙字（64位）。（2）浮點(diǎn)數(shù)：?jiǎn)尉雀↑c(diǎn)數(shù)（32位），雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）。21. MIPS采用哪幾種尋址方式？MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址和偏移量尋址兩種，立即數(shù)字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過(guò)把0作為偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，16位絕對(duì)尋址是通過(guò)把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址寄存器來(lái)完成的。第3章 流水線技術(shù)1. 流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)？（1）流水過(guò)程由多個(gè)相聯(lián)系的子過(guò)程組成，每個(gè)過(guò)程稱(chēng)為流水線的“級(jí)”或“段”。（2）每個(gè)子過(guò)程由專(zhuān)用的功能段實(shí)現(xiàn)。（3）各個(gè)功能段所需時(shí)間應(yīng)盡量相等。（4）流水線需要有“通過(guò)時(shí)間”，在此之后流水過(guò)程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個(gè)時(shí)鐘周期(拍)流出一個(gè)結(jié)果。（5）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才能充分發(fā)揮。2. 按照流水線所完成的功能來(lái)分，流水線可分為哪兩類(lèi)？（1）單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。（2）多功能流水線：流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間完成不同的功能。3. 按照同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式來(lái)分，流水線可分為哪兩類(lèi)？ （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）動(dòng)態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。4. 按照流水的級(jí)別來(lái)分，流水線可分為哪三類(lèi)？ （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(lèi)型進(jìn)行流水操作。（2）處理機(jī)級(jí)流水線（指令流水線）：把解釋指令的過(guò)程按照流水方式處理。（3）處理機(jī)間流水線（宏流水線）：由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。5. 按照數(shù)據(jù)表示來(lái)分，流水線可分為哪兩類(lèi)？ （1）標(biāo)量流水處理機(jī)：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。（2）向量流水處理機(jī)：處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過(guò)向量指令對(duì)向量的各元素進(jìn)行處理。6. 按照流水線中是否有反饋回路來(lái)分，流水線可分為哪兩類(lèi)？ （1）線性流水線：流水線的各段串行連接，沒(méi)有反饋回路。（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。7. 在5段流水線中，一條指令的執(zhí)行需要幾個(gè)時(shí)鐘周期？它們分別是什么？一條指令的執(zhí)行需要5個(gè)時(shí)鐘周期。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(xiě)回周期（WB）。？把數(shù)據(jù)和控制信息從一個(gè)流水段傳送到下一個(gè)流水段。9. 消除流水線的瓶頸段有哪些方法？(1) 細(xì)分瓶頸段；(2) 重復(fù)設(shè)置瓶頸段。10. 評(píng)價(jià)流水線的性能指標(biāo)是什么？(1) 吞吐率：指在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。(2) 流水線的加速比：指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。(3) 效率：指流水線的設(shè)備利用率。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(lài)關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對(duì)于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。相關(guān)有3種類(lèi)型，分別是數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱(chēng)真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)。12. 什么叫名相關(guān)？名相關(guān)有哪兩種？如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒(méi)有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱(chēng)這兩條指令存在名相關(guān)。指令j與指令i之間的名相關(guān)有以下兩種：（1）反相關(guān)。如果指令j寫(xiě)的名與指令i讀的名相同，則稱(chēng)指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。反相關(guān)指令之間的執(zhí)行順序是必須嚴(yán)格遵守的，以保證i讀的值是正確的。（2）輸出相關(guān)。如果指令j和指令i寫(xiě)相同的名，則稱(chēng)指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。輸出相關(guān)指令的執(zhí)行順序是不能顛倒的，以保證最后的結(jié)果是指令j寫(xiě)進(jìn)去的。13. 流水線沖突有哪幾種？流水線沖突有以下3種類(lèi)型：（1）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿(mǎn)足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。（2）數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。（3）控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。14. 解決流水線結(jié)構(gòu)沖突的方法有哪些？（1）流水化功能單元；（2）資源重復(fù)；（3）暫停流水線。15. 為什么流水線設(shè)計(jì)者有時(shí)會(huì)允許結(jié)構(gòu)沖突的存在？主要有兩個(gè)原因：一是為了減少硬件開(kāi)銷(xiāo)，二是為了減少功能單元的延遲。16. 定向技術(shù)的主要思想是什么？在發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)，后面的指令并不是立即就要用到前一條指令的計(jì)算結(jié)果。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。當(dāng)定向硬件檢測(cè)到前面某條指令的結(jié)果寄存器就是當(dāng)前指令的源寄存器時(shí)，控制邏輯會(huì)將前面那條指令的結(jié)果直接從其產(chǎn)生的地方定向到當(dāng)前指令所需的位置。，而不需要暫停嗎？試舉例說(shuō)明。流水線中有需要暫停的數(shù)據(jù)沖突。例如，在下列指令序列中，需要在LW指令之后插入一個(gè)暫停周期，然后再用定向技術(shù)消除相關(guān)。LDR1，0（R2）DADDR4，R1，R5ANDR6，R1，R7XORR8，R1，R918．根據(jù)指令對(duì)寄存器的讀寫(xiě)順序，可將數(shù)據(jù)沖突分為哪三種類(lèi)型？（1）寫(xiě)后讀沖突（2）寫(xiě)后寫(xiě)沖突（3）讀后寫(xiě)沖突19．解決流水線數(shù)據(jù)沖突的方法有哪些？（1）定向技術(shù)：在某條指令產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果之前，其他指令并不真正需要該計(jì)算結(jié)果，如果將該計(jì)結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暫停。（2）暫停技術(shù)：設(shè)置一個(gè)“流水線互鎖”的功能部件，一旦流水線互鎖檢測(cè)到數(shù)據(jù)相關(guān)，流水線暫停執(zhí)行發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)指令后續(xù)的所有指令，直到該數(shù)據(jù)相關(guān)解決為止。（3）采用編譯器調(diào)度。 （4）重新組織代碼順序。20. 減少流水線處理分支指令時(shí)的暫停時(shí)鐘周期數(shù)有哪兩種途徑？(1) 在流水線中盡早判斷出分支轉(zhuǎn)移是否成功。(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）。21. 在MIPS基本流水線中可采用哪些靜態(tài)方法降低分支損失？(1) 修改硬件：在ID段增加一個(gè)加法器，將計(jì)算分支目標(biāo)地址的操作移到ID段完成。(2) 預(yù)測(cè)分支失敗的方法。(3) 延遲分支方法。22．從編譯技術(shù)的角度，降低流水線分支損失的方法有哪些？ (1) 預(yù)測(cè)分支失敗的方法。 (2) 預(yù)測(cè)分支成功的方法。(3) 延遲分支方法。