第1章  计算机系统结构的基本概念

 

1. 什么是计算机系统的多级层次结构？

从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：

2. 硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？

硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。在实现性能上是不等效的。软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快。

 

3. 经典计算机系统结构的实质是什么？

计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。

 

4. 语言实现的两种基本技术是什么？

翻译和解释是语言实现的两种基本技术。它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1级指令，但二者存在着差别：翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。而解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。

 

5. 对于通用寄存器型机器来说，机器语言程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？

(1)   数据表示

(2)   寻址规则

(3)   寄存器定义

(4)   指令集

(5)   中断系统

(6)   机器工作状态的定义和切换

(7)   存储系统

(8)   信息保护

(9)   I/O结构

 

6. 什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？

同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。

软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。其中向后兼容是软件兼容的根本特征。

 

7. 什么是系列机？它的出现较好地解决了什么矛盾？

系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。它的出现较好地解决了软件要求环境稳定和硬件、器件技术迅速发展之间的矛盾。

 

8. 对计算机发展非常关键的实现技术有哪些？

（1） 逻辑电路

（2） 半导体DRAM(动态随机访问存储器)

（3） 磁盘

（4） 网络

 

9. 实现软件移植的主要途径有哪些？

(1) 采用系列机方法

(2) 采用模拟与仿真方法

(3) 采用统一的高级语言

 

10. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

一种系统结构可以有多种组成；一种组成可以有多种实现。同一系列机中各种型号的机器具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而具有不同的性能和价格。

 

11. 存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？

（1）以运算器为中心。

（2）采用存储程序原理。程序和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。

（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。

（4）控制流由指令流产生。

（5）指令由操作码和地址码组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和操作结果的地址。

（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。

 

12. 从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两方面着手？

新型系统结构的设计主要从以下两方面着手：

一方面是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例，使系统结构对操作系统、高级语言甚至应用软件提供更多更好的支持；

另一方面则是通过多种途径提高计算机系统结构中的并行性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题都能并行计算和处理，使这种系统结构和组成对算法提供更多、更好的支持。

 

13. 软件技术两个最重要的发展趋势是什么？

(1) 程序及数据所使用存储器容量的不断增大。

(2) 高级语言的使用越来越广泛，在很多应用领域取代了汇编语言。

 

14. 计算机系统设计人员的技术挑战主要来自哪几个方面？

计算机系统设计人员的技术挑战主要来自系统结构、设计工具、制造工艺、软件、应用和经济等多个方面。

 

15. 一种计算机系统结构的生命周期是怎样的？

计算机的生命周期和系统中各个部分的发展密切相关。一种新的系统结构的诞生，往往以硬件为标志，它的发展和成熟，是以配套的系统软件和应用为标志的。一个计算机系统结构，从产生到消亡，大致需要15～20年的时间。

 

16. 用户CPU时间由哪三个因素决定？

用户CPU时间 = CPI ´ IC / 时钟频率

其中，CPI：指令时钟数

IC：程序执行过程中所处理的指令数。

 

17. 什么是测试程序组件？在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？

选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成一个通用测试程序集合。这种测试程序集合称为测试程序组件。

在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是基于UNIX的SPEC，其主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95和SPEC2000等。

 

18. SPEC2000测试程序组件中包括哪几个测试程序组件？

（1）SPEC CPU2000：测试CPU；

（2）SPECviewperf：用于测试图形系统支持OpenGL库的性能；

（3）SPECapc：测试图形密集型应用的性能；

（4）SPECSFS：基于NFS文件系统的文件服务器测试程序；

（5）SPECWeb：Web服务器测试程序。

 

19. 测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常用测试组件有哪些？

（1）PCMark04包括中央处理器测试组、内存测试组、图形芯片测试组、硬盘测试组等。

（2）BusinessWinstone 2004主要用于测试计算机系统商业应用的综合性能。

（3）MultimediaContent Creation Winstone 2004主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能。

（4）SiSoftSandra Pro 2004：一套功能强大的系统分析评比工具，拥有超过30种以上的分析与测试模组，主要包括CPU、存储器、I/O接口、I/O设备、主板等。

 

20. 常用的专门的性能指标测试程序有哪些？

3DMark03主要测试显卡性能和DirectX的性能。

Prime95是用来估计分布式计算程序的通信情况，可使计算机高负荷运转，所以也用来测试计算机的稳定性。

SuperPi/SuperE是计算圆周率π/自然指数e的软件，通常用来测试CPU的稳定性。

 

21. 计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？

（1）大概率事件优先原则：对于大概率事件(最常见的事件)，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。

（2）Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。

（3）程序的局部性原理：程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。

 

22. 根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？

系统加速比依赖于两个因素：

（1）可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例。

（2）部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高。

 

23. 从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为哪几级？

从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为：

（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。

（2）指令级并行（Instruction Level Parallelism，ILP）：并行执行两条或两条以上的指令。

（3）线程级并行（Thread Level Parallelism，TLP）：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。

（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元。

（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。

 

24. 从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为哪几级？

从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为：

（1）字串位串：同时只对一个字的一位进行处理。

（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理。

（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称位片）进行处理。

（4）全并行：同时对许多字的全部或部分位进行处理。

 

25.Flynn分类法把计算机系统的结构分为哪4类？

（1）     单指令流单数据流（SISD，Single Instruction stream Single Data stream）。

（2）     单指令流多数据流（SIMD，Single Instruction stream Multiple Data stream）。

（3）     多指令流单数据流（MISD，Multiple Instruction stream Single Data stream）。

（4）     多指令流多数据流（MIMD，Multiple Instruction stream Multiple Data stream）。

 

26.常见的计算机系统结构分类法有哪两种？分类的依据是什么？

Flynn分类法：按照指令流和数据流的多倍性进行分类。

冯氏分类法：用系统的最大并行度对计算机进行分类。

 

27. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？

（1）时间重叠。多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

（2）资源重复。通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。

（3）资源共享。这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

 

28. 多机系统的耦合度可以分为哪几类？

（1）最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也无共享的联机硬件资源。

（2）松散耦合：通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。

（3）紧密耦合：机间物理连接的频带较高，往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。

 

29. 单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？

单机系统和多机系统中，都是按时间重叠、资源重复和资源共享三种技术途径，分别发展为同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统。

 

30. 三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么？