【正文】 （機向互連）時間重疊（功能專用化）資源共享（網絡化）組成同類型（同等功能）不同類型（不同功能）不限制分工方式任務分布功能分布硬件、軟件、數據等各種資源分布工作方式一個作業(yè)由多機協(xié)同并行地完成一個作業(yè)由多機協(xié)同串行地完成一個作業(yè)由一臺處理機完成，必要時才請求它機協(xié)作控制形式常采用浮動控制方式采用專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、緊密耦合對互連網絡的要求快速性、靈活性、可重構性專用性快速、靈活、簡單、通用第2章 計算機指令集結構設計1. 通?？砂茨?個因素對計算機指令集結構進行分類？(1) 在CPU中操作數的存儲方法。(2) 指令中顯式表示的操作數個數。 (3) 操作數的尋址方式。 (4) 指令集所提供的操作類型。 (5) 操作數的類型和大小。2. 在對計算機指令集結構進行分類的5個因素中，哪一種是各種指令集結構之間最主要的區(qū)別？CPU中操作數的存儲方法，即在CPU中用來存儲操作數的存儲單元的類型，是各種指令集結構之間最主要的區(qū)別。3. 根據CPU內部存儲單元類型，可將指令集結構分為哪幾類？堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構、通用寄存器型指令集結構。4. 堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構和通用寄存器型指令集結構分別有什么優(yōu)缺點？指令集結構類型優(yōu)點缺點堆棧型是一種表示計算的簡單模型；指令短小不能隨機訪問堆棧，從而很難生成有效代碼。同時，由于堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實現(xiàn)累加器型減少了機器的內部狀態(tài)；指令短小由于累加器是唯一的暫存器，這種機器的存儲器通信開銷最大寄存器型易于生成高效的目標代碼所有操作數均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長5. 現(xiàn)代大多數機器均采用通用寄存器型指令集結構，為什么？主要有兩個方面的原因，一是寄存器和CPU內部其他存儲單元一樣，要比存儲器快；其次是對編譯器而言，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構可細分為哪三類？寄存器－寄存器型。寄存器－存儲器型。存儲器－存儲器型。7. 三種通用寄存器型指令集結構分別有什么優(yōu)缺點？指令集結構類型優(yōu) 點缺 點寄存器－寄存器型（0,3）簡單，指令字長固定，是一種簡單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時鐘周期數相近和ALU指令中含存儲器操作數的指令集結構相比，指令條數多，因而其目標代碼量較大寄存器－存儲器（1,2）可以直接對存儲器操作數進行訪問，容易對指令進行編碼，且其目標代碼量較小指令中的操作數類型不同。在一條指令中同時對一個寄存器操作數和存儲器操作數進行編碼，將限制指令所能夠表示的寄存器個數。由于指令的操作數可以存儲在不同類型的存儲器單元，所以每條指令的執(zhí)行時鐘周期數也不盡相同存儲器－存儲器型（3,3）是一種最緊密的編碼方式，無需“浪費”寄存器保存變量指令字長多種多樣。每條指令的執(zhí)行時鐘周期數也大不一樣，對存儲器的頻繁訪問將導致存儲器訪問瓶頸問題8. 從當前的計算機技術觀點來看，CISC結構有什么缺點？（1）CISC結構的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結構指令系統(tǒng)的復雜性帶來了計算機系統(tǒng)結構的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3）CISC結構指令系統(tǒng)的復雜性給VLSI設計增加了很大負擔，不利于單片集成。（4）CISC結構的指令系統(tǒng)中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。（5）在CISC結構的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機系統(tǒng)結構技術來提高系統(tǒng)的性能。9. 增強CISC機器的指令功能主要從哪幾方面著手？(1) 面向目標程序增強指令功能。(2) 面向高級語言和編譯程序改進指令系統(tǒng)。(3) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)改進指令系統(tǒng)。10. RISC的設計原則是什么？（1）選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令。（2）每條指令的功能應盡可能簡單，并在一個機器周期內完成。（3）所有指令長度均相同。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行。 （5）以簡單、有效的方式支持高級語言。11. RISC和CISC處理機的指令系統(tǒng)結構在指令格式、尋址方式和每條指令的周期數（CPI）三方面有哪些區(qū)別？ 比較內容CISCRISC指令格式變長編碼定長編碼尋址方式各種都有只有l(wèi)oad/store指令可以訪存CPI遠遠大于1為112. 計算機指令集結構設計所涉及的內容有哪些？(1) 指令集功能設計：主要有RISC和CISC兩種技術發(fā)展方向。 (2) 尋址方式的設計。(3) 操作數表示和操作數類型。(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單獨的域來表示。 (5) 指令集格式的設計：有變長編碼格式、固定長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類型的方法？（1）操作數的類型由操作碼的編碼指定，這是最常見的一種方法。（2）數據可以附上由硬件解釋的標記，由這些標記指定操作數的類型，從而選擇適當的運算。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也描述了相應的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結合不僅增加了指令的條數，導致了指令的多樣性，而且增加了CPU對指令譯碼的難度。（2）為每個操作數設置一個地址描述符，由該地址描述符表示相應操作數的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨立，易于指令擴展。 15. 指令集格式設計中選擇表示尋址方式的依據是什么？主要由指令集結構所采用的尋址方式種類及其適用范圍，以及操作碼與尋址方式之間的獨立程度來決定。如果某些指令集結構的指令有1～5個操作數，每個操作數有10種尋址方式，對于這種大規(guī)模的操作數和尋址方式組合，通常采用增設地址描述符的方法來描述尋址方式。對諸如load/store類型指令集結構的指令，由于只有1～3個操作數，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. 指令集結構中采用多種尋址方式有何優(yōu)缺點？在指令集結構中采用多種尋址方式可以顯著地減少程序的指令條數；但同時也可能增加實現(xiàn)的復雜度和使用這些尋址方式的指令的執(zhí)行時鐘周期數（CPI）。17. 在控制指令中使用PC相對尋址方式有什么優(yōu)點？(1) 有效地縮短指令中表示目標地址的字段的長度。 (2) 使得代碼在執(zhí)行時與它被載入的位置無關。18. 在指令集格式的設計時，通?？蛇x擇哪幾種指令格式？(1) 變長編碼格式。這種編碼方式可以有效減少程序的目標代碼大小。(2) 定長編碼格式。這種編碼方式可以降低譯碼的復雜度，提高譯碼的性能。 (3) 混合型編碼格式。兼顧降低目標代碼長度和降低譯碼復雜度。19. MIPS中有哪些寄存器？ （1）32個通用寄存器。（2）32個浮點寄存器。（3）一些特別的寄存器。20. MIPS有哪幾種數據類型？（1）整數：字節(jié)（8位），半字（16位），字（32位）和雙字（64位）。（2）浮點數：單精度浮點數（32位），雙精度浮點數（64位）。21. MIPS采用哪幾種尋址方式？MIPS的數據尋址方式只有立即數尋址和偏移量尋址兩種，立即數字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實現(xiàn)的，16位絕對尋址是通過把R0（其值永遠為0）作為基址寄存器來完成的。第3章 流水線技術1. 流水技術有哪些特點？（1）流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個過程稱為流水線的“級”或“段”。（2）每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)。（3）各個功能段所需時間應盡量相等。（4）流水線需要有“通過時間”，在此之后流水過程才進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘周期(拍)流出一個結果。（5）流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務，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分，流水線可分為哪兩類？（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行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。3. 按照同一時間內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：在同一時間內，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。（2）動態(tài)流水線：在同一時間內，當某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。4. 按照流水的級別來分，流水線可分為哪三類？ （1）部件級流水線（運算操作流水線）：把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數據類型進行流水操作。（2）處理機級流水線（指令流水線）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。（3）處理機間流水線（宏流水線）：由兩個以上的處理機串行地對同一數據流進行處理，每個處理機完成一項任務。5. 按照數據表示來分，流水線可分為哪兩類？ （1）標量流水處理機：處理機不具有向量數據表示，僅對標量數據進行流水處理。（2）向量流水處理機：處理機具有向量數據表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。6. 按照流水線中是否有反饋回路來分，流水線可分為哪兩類？ （1）線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。（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)行需要幾個時鐘周期？它們分別是什么？一條指令的執(zhí)行需要5個時鐘周期。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/有效地址計算周期（EX）、存儲器/分支完成周期（MEM）、寫回周期（WB）。？把數據和控制信息從一個流水段傳送到下一個流水段。9. 消除流水線的瓶頸段有哪些方法？(1) 細分瓶頸段；(2) 重復設置瓶頸段。10. 評價流水線的性能指標是什么？(1) 吞吐率：指在單位時間內流水線所完成的任務數或輸出結果的數量。(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：指流水線的設備利用率。11. 什么叫相關？流水線中有哪幾種相關？ 相關是指兩條指令之間存在某種依賴關系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關，對于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。相關有3種類型，分別是數據相關（也稱真數據相關）、名相關、控制相關。12. 什么叫名相關？名相關有哪兩種？如果兩條指令使用相同的名，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。指令j與指令i之間的名相關有以下兩種：（1）反相關。如果指令j寫的名與指令i讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關。反相關指令之間的執(zhí)行順序是必須嚴格遵守的，以保證i讀的值是正確的。（2）輸出相關。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。輸出相關指令的執(zhí)行順序是不能顛倒的，以保證最后的結果是指令j寫進去的。13. 流水線沖突有哪幾種？流水線沖突有以下3種類型：（1）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。（2）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。（3）控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。14. 解決流水線結構沖突的方法有哪些？（1）流水化功能單元；（2）資源重復；（3）暫停流水線。15. 為什么流水線設計者有時會允許結構沖突的存在？主要有兩個原因：一是為了減少硬件開銷，二是為了減少功能單元的延遲。16. 定向技術的主要思想是什么？在發(fā)生數據沖突時，后面的指令并不是立即就要用到前一條指令的計算結果。如果能夠將計算結果從其產生的地方直接送到需要它的地方，就可以避免暫停。當定向硬件檢測到前面某條指令的結果寄存器就是當前指令的源寄存器時，控制邏輯會將前面那條指令的結果直接從其產生的地方定向到當前指令所需的位置。，而不需要暫停嗎？試舉例說明。流水線中有需要暫停的數據沖突。例如，在下列指令序列中，需要在LW指令之后插入一個暫停周期，然后再用定向技術消除相關。LDR1，0（R2）DADDR4，R1，R5ANDR6，R1，R7XORR8，R1，R918．根據指令對寄存器的讀寫順序，可將數據沖突分為哪三種類型？（1）寫后讀沖突（2）寫后寫沖突（3）讀后寫沖突19．解決流水線數據沖突的方法有哪些？（1）定向技術：在某條指令產生一個結果之前，其他指令并不真正需要該計算結果，如果將該計結果從其產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：設置一個“流水線互鎖”的功能部件，一旦流水線互鎖檢測到數據相關，流水線暫停執(zhí)行發(fā)生數據相關指令后續(xù)的所有指令，直到該數據相關解決為止。（3）采用編譯器調度。 （4）重新組織代碼順序。20. 減少流水線處理分支指令時的暫停時鐘周期數有哪兩種途徑？(1) 在流水線中盡早判斷出分支轉移是否成功。(2) 盡早計算出分支轉移成功時的PC值（即分支的目標地址）。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段增加一個加法器，將計算分支目標地址的操作移到ID段完成。(2) 預測分支失敗的方法。(3) 延遲分支方法。22．從編譯技術的角度，降低流水線分支損失的方法有哪些？ (1) 預測分支失敗的方法。 (2) 預測分支成功的方法。(3) 延遲分支