【正文】 (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)測分支失敗的方法。(2) 預(yù)測分支失敗的方法。(2) 盡早計算出分支轉(zhuǎn)移成功時的PC值（即分支的目標地址）。 （4）重新組織代碼順序。（2）暫停技術(shù)：設(shè)置一個“流水線互鎖”的功能部件，一旦流水線互鎖檢測到數(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。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(shù)消除相關(guān)。，而不需要暫停嗎？試舉例說明。如果能夠?qū)⒂嬎憬Y(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. 為什么流水線設(shè)計者有時會允許結(jié)構(gòu)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。（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。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。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)。反相關(guān)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。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)。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。(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。9. 消除流水線的瓶頸段有哪些方法？(1) 細分瓶頸段；(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/有效地址計算周期（EX）、存儲器/分支完成周期（MEM）、寫回周期（WB）。（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。（2）向量流水處理機：處理機具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。（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(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成一項任務(wù)。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(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進行流水操作。3. 按照同一時間內(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. 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。（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(jié)果。（2）每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)。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。（2）浮點數(shù)：單精度浮點數(shù)（32位），雙精度浮點數(shù)（64位）。（3）一些特別的寄存器。19. MIPS中有哪些寄存器？ （1）32個通用寄存器。 (3) 混合型編碼格式。(2) 定長編碼格式。18. 在指令集格式的設(shè)計時，通?？蛇x擇哪幾種指令格式？(1) 變長編碼格式。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。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個操作數(shù)，每個操作數(shù)有10種尋址方式，對于這種大規(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描述尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨立，易于指令擴展。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對指令譯碼的難度。（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標記，由這些標記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當?shù)倪\算。 (5) 指令集格式的設(shè)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。(3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類型。11. RISC和CISC處理機的指令系統(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(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及的內(nèi)容有哪些？(1) 指令集功能設(shè)計：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向。（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行。（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成。(3) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)改進指令系統(tǒng)。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。（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，因而運行速度慢。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計錯誤。由于指令的操作數(shù)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(shù)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。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？指令集結(jié)構(gòu)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(shù)相近和ALU指令中含存儲器操作數(shù)的指令集結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，因而其目標代碼量較大寄存器－存儲器（1,2）可以直接對存儲器操作數(shù)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(shù)類型不同。寄存器－存儲器型。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(nèi)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(shù)均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長5. 現(xiàn)代大多數(shù)機器均采用通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)，為什么？主要有兩個方面的原因，一是寄存器和CPU內(nèi)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。3. 根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪幾類？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)的類型和大小。 (3) 操作數(shù)的尋址方式。30. 三種類型的多處理機（同構(gòu)型多處理機、異構(gòu)型多處理機、分布處理系統(tǒng)）的主要區(qū)別是什么？項目同構(gòu)型多處理機異構(gòu)型多處理機分布處理系統(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)（機向互連）時間重疊（功能專用化）資源共享（網(wǎng)絡(luò)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(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(wǎng)絡(luò)的要求快速性、靈活性、可重構(gòu)性專用性快速、靈活、簡單、通用第2章 計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 通常可按哪5個因素對計算機指令集結(jié)構(gòu)進行分類？(1) 在CPU中操作數(shù)的存儲方法。 （3）緊密耦合：機間物理連接的頻帶較高，往往通過總線或高速開關(guān)實現(xiàn)互連，可以共享主存。28. 多機系統(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介質(zhì)之外，各計算機之間沒有物理連接，也無共享的聯(lián)機硬件資源。（3）資源共享。（2）資源重復(fù)。27. 計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有哪三種？（1）時間重疊。？分類的依據(jù)是什么？Flynn分類法：按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類。（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：同時對許多字的同一位（稱位片）進行處理。24. 從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可以分為哪幾級？從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可以分為：（1）字串位串：同時只對一個字的一位進行處理。（4）任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進程為調(diào)度單元。（2）指令級并行（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：可改進部分改進以后的性能提高。（3）程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。21. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中最經(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。Prime95是用來估計分布式計算程序的通信情況，可使計算機高負荷運轉(zhuǎn)，所以也用來測試計算機的穩(wěn)定性。（4）SiSoft Sandra Pro 2004：一套功能強大的系統(tǒng)分析評比工具，擁有超過30種以上的分析與測試模組，主要包括CPU、存儲器、I/O接口、I/O設(shè)備、主板等。（2）Business Winstone 2004主要用于測試計算機系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的綜合性能。18. SPEC2000測試程序組件中包括哪幾個測試程序組件？（1）SPEC CPU2000：測試CPU；（2）SPECviewperf：用于測試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫的性能；（3）SPECapc：測試圖形密集型應(yīng)用的性能；（4）SPECSFS：基于NFS文件系統(tǒng)的文件服務(wù)器測試程序；（5）SPECWeb：Web服務(wù)器測試程序。這種測試程序集合稱為測試程序組件。 IC / 時鐘頻率其中，CPI：指令時鐘數(shù)IC：程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)。一個計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生到消亡，大致需要15～20年的時間。15. 一種計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期是怎樣的？計算機的生命周期和系統(tǒng)中各個部分的發(fā)展密切相關(guān)。(2) 高級語言的使用越來越廣泛，在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代了匯編語言。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)計主要從哪兩方面著手？新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要從以下兩方面著手：一方面是合理地增加計算機系統(tǒng)中硬件的功能比例，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對操作系統(tǒng)、高級語言甚至應(yīng)用軟件提供更多更好的支持；另一方面則是通過多種途徑提高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性等級，使得凡是能并行計算和處理的問題都能并行計算和處理，使這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成對算法提供更多、更好的支持。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。（4）控制流由指令流產(chǎn)生。程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中，并且沒有對兩者加以區(qū)分。11. 存儲程序計算機在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的主要特點是什么？（1）以運算器為中心。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現(xiàn)。8. 對計算機發(fā)展非常關(guān)鍵的實現(xiàn)技術(shù)有哪些？（1） 邏輯電路（2） 半導(dǎo)體DRAM(動態(tài)隨機訪問存儲器) （3） 磁盤（4） 網(wǎng)絡(luò)9. 實現(xiàn)軟件移植的主要途徑有哪些？(1) 采用系列機方法(2) 采用模擬與仿真方法(3) 采用統(tǒng)一的高級語言10. 試以系列機為例，說明計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)三者之間的關(guān)系。7. 什么是系列機？它的出現(xiàn)較好地解決了什么矛盾？系列機是指在一個廠家內(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現(xiàn)的一系列不同型號的機器。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。它們都是以執(zhí)行一串Ｎ級指令來實現(xiàn)N+1級指令，但二者存在著差別：翻譯技術(shù)是先把N+1級程序全部變換成N級程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級程序，在執(zhí)行過程中N+1級程序不再被訪問。3. 經(jīng)典計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是什么？計算機系統(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。在實現(xiàn)性能上是不等效的。結(jié)點擁有者可以隨意地進行關(guān)機、重新配置或者升級，而且對一個結(jié)點而言，它的擁有者或使用者的任務(wù)應(yīng)該具有最高優(yōu)先級，高于企業(yè)的其他用戶。企業(yè)機群它是為了充分利用各個結(jié)點的空閑資源而設(shè)計的，各個結(jié)點分散安放，各結(jié)點之間一般通過標準的LAN或WAN互連，通信開銷較大，延遲較長。專用機群是為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大中型機或巨型機而設(shè)計的，裝置比較緊湊，一般都裝在比較小的機架內(nèi)，放在機房中使用，因此它的吞吐率較高，響應(yīng)時間也較短。高性能計算機群主要目的是降低高性能計算的成本。機群能夠根據(jù)系統(tǒng)中各個結(jié)點的負載情況實時地進行任務(wù)分配。它采用冗余機制，當系統(tǒng)中某個結(jié)點由于軟、硬件故障而失效時，該結(jié)點上的任務(wù)將在最短的時間內(nèi)被遷移到機群內(nèi)另一個具有相同功能與結(jié)構(gòu)的結(jié)點上繼續(xù)執(zhí)行。一個共享存儲并行系統(tǒng)上的應(yīng)用編程接口，它規(guī)范了一系列的編譯制導(dǎo)、運行庫例程和環(huán)境變量，并為C/C++和FORTRAN等高級語言提供了應(yīng)用編程接口。一個支持數(shù)據(jù)并行的并行語言標準。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)建成一個虛擬的并行機系統(tǒng)，為并行應(yīng)用提供了運行平臺。目前最重要的一個基于消息傳遞的并行