【正文】 (3) 延遲分支方法。22．從編譯技術(shù)的角度，降低流水線(xiàn)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)分支失敗的方法。(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）。 （4）重新組織代碼順序。（2）暫停技術(shù)：設(shè)置一個(gè)“流水線(xiàn)互鎖”的功能部件，一旦流水線(xiàn)互鎖檢測(cè)到數(shù)據(jù)相關(guān)，流水線(xiàn)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。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)。，而不需要暫停嗎？試舉例說(shuō)明。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。15. 為什么流水線(xiàn)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。（3）控制沖突：流水線(xiàn)遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。13. 流水線(xiàn)沖突有哪幾種？流水線(xiàn)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。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)。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。指令j與指令i之間的名相關(guān)有以下兩種：（1）反相關(guān)。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)。11. 什么叫相關(guān)？流水線(xiàn)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。(2) 流水線(xiàn)的加速比：指m段流水線(xiàn)的速度與等功能的非流水線(xiàn)的速度之比。9. 消除流水線(xiàn)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。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）。（2）非線(xiàn)性流水線(xiàn)：流水線(xiàn)中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。（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。（3）處理機(jī)間流水線(xiàn)（宏流水線(xiàn)）：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)。4. 按照流水的級(jí)別來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪三類(lèi)？ （1）部件級(jí)流水線(xiàn)（運(yùn)算操作流水線(xiàn)）：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。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(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？ （1）靜態(tài)流水線(xiàn)：在同一時(shí)間內(nèi)，流水線(xiàn)的各段只能按同一種功能的連接方式工作。2. 按照流水線(xiàn)所完成的功能來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？（1）單功能流水線(xiàn)：只能完成一種固定功能的流水線(xiàn)。（4）流水線(xiàn)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。（2）每個(gè)子過(guò)程由專(zhuān)用的功能段實(shí)現(xiàn)。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。（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）。（3）一些特別的寄存器。19. MIPS中有哪些寄存器？ （1）32個(gè)通用寄存器。 (3) 混合型編碼格式。(2) 定長(zhǎng)編碼格式。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。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。通常將尋址方式編碼于操作碼中。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。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。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）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。 (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。(3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類(lèi)型。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(fǎng)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。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。（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) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)。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。（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。（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。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。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(fǎng)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。寄存器－存儲(chǔ)器型。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。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)。 (5) 操作數(shù)的類(lèi)型和大小。 (3) 操作數(shù)的尋址方式。30. 三種類(lèi)型的多處理機(jī)（同構(gòu)型多處理機(jī)、異構(gòu)型多處理機(jī)、分布處理系統(tǒng)）的主要區(qū)別是什么？項(xiàng)目同構(gòu)型多處理機(jī)異構(gòu)型多處理機(jī)分布處理系統(tǒng)目的提高系統(tǒng)性能（可靠性、速度）提高系統(tǒng)使用效率兼顧效率與性能技術(shù)途徑資源重復(fù)（機(jī)向互連）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. 通常可按哪5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。 （3）緊密耦合：機(jī)間物理連接的頻帶較高，往往通過(guò)總線(xiàn)或高速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，可以共享主存。28. 多機(jī)系統(tǒng)的耦合度可以分為哪幾類(lèi)？（1）最低耦合：除通過(guò)某種中間存儲(chǔ)介質(zhì)之外，各計(jì)算機(jī)之間沒(méi)有物理連接，也無(wú)共享的聯(lián)機(jī)硬件資源。（3）資源共享。（2）資源重復(fù)。27. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有哪三種？（1）時(shí)間重疊。？分類(lèi)的依據(jù)是什么？Flynn分類(lèi)法：按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類(lèi)。（3） 多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD，Multiple Instruction stream Single Data stream）。？（1） 單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD，Single Instruction stream Single Data stream）。（3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱(chēng)位片）進(jìn)行處理。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。（4）任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。（2）指令級(jí)并行（Instruction Level Parallelism，ILP）：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。（2）部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提高。（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時(shí)所訪(fǎng)問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。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(jiàn)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。Prime95是用來(lái)估計(jì)分布式計(jì)算程序的通信情況，可使計(jì)算機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所以也用來(lái)測(cè)試計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性。（4）SiSoft Sandra Pro 2004：一套功能強(qiáng)大的系統(tǒng)分析評(píng)比工具，擁有超過(guò)30種以上的分析與測(cè)試模組，主要包括CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、I/O設(shè)備、主板等。（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。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。這種測(cè)試程序集合稱(chēng)為測(cè)試程序組件。 IC / 時(shí)鐘頻率其中，CPI：指令時(shí)鐘數(shù)IC：程序執(zhí)行過(guò)程中所處理的指令數(shù)。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。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)。(2) 高級(jí)語(yǔ)言的使用越來(lái)越廣泛，在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代了匯編語(yǔ)言。12. 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況看，新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從哪兩方面著手？新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從以下兩方面著手：一方面是合理地增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件的功能比例，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言甚至應(yīng)用軟件提供更多更好的支持；另一方面則是通過(guò)多種途徑提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性等級(jí)，使得凡是能并行計(jì)算和處理的問(wèn)題都能并行計(jì)算和處理，使這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成對(duì)算法提供更多、更好的支持。操作碼指明本指令的操作類(lèi)型，地址碼指明操作數(shù)和操作結(jié)果的地址。（4）控制流由指令流產(chǎn)生。程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中，并且沒(méi)有對(duì)兩者加以區(qū)分。11. 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)是什么？（1）以運(yùn)算器為中心。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)。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(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器) （3） 磁盤(pán)（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(yǔ)言10. 試以系列機(jī)為例，說(shuō)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。7. 什么是系列機(jī)？它的出現(xiàn)較好地解決了什么矛盾？系列機(jī)是指在一個(gè)廠(chǎng)家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。在這個(gè)過(guò)程中不產(chǎn)生翻譯出來(lái)的程序，因此解釋過(guò)程是邊變換邊執(zhí)行的過(guò)程。它們都是以執(zhí)行一串Ｎ級(jí)指令來(lái)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(guò)程中N+1級(jí)程序不再被訪(fǎng)問(wèn)。3. 經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是什么？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。在實(shí)現(xiàn)性能上是不等效的。結(jié)點(diǎn)擁有者可以隨意地進(jìn)行關(guān)機(jī)、重新配置或者升級(jí)，而且對(duì)一個(gè)結(jié)點(diǎn)而言，它的擁有者或使用者的任務(wù)應(yīng)該具有最高優(yōu)先級(jí)，高于企業(yè)的其他用戶(hù)。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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的LAN或WAN互連，通信開(kāi)銷(xiāo)較大，延遲較長(zhǎng)。專(zhuān)用機(jī)群是為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大中型機(jī)或巨型機(jī)而設(shè)計(jì)的，裝置比較緊湊，一般都裝在比較小的機(jī)架內(nèi)，放在機(jī)房中使用，因此它的吞吐率較高，響應(yīng)時(shí)間也較短。高性能計(jì)算機(jī)群主要目的是降低高性能計(jì)算的成本。機(jī)群能夠根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況實(shí)時(shí)地進(jìn)行任務(wù)分配。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。一個(gè)共享存儲(chǔ)并行系統(tǒng)上的應(yīng)用編程接口，它規(guī)范了一系列的編譯制導(dǎo)、運(yùn)行庫(kù)例程和環(huán)境變量，并為C/C++和FORTRAN等高級(jí)語(yǔ)言提供了應(yīng)用編程接口。一個(gè)支持?jǐn)?shù)據(jù)并行的并行語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。一種常用的基于消息傳遞的并行編程環(huán)境，它把工作站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成一個(gè)虛擬的并行機(jī)系統(tǒng)，為并行應(yīng)用提供了運(yùn)行平臺(tái)。目前最重要的一個(gè)基于消息傳遞的并行