课程：计算机系统结构2012年版
主编：李学干
代码：02325
出版社：机械工业出版社
题型构成：选择10，填空20，简答30，应用题40

第1章 概论

1.简述软、硬件功能分配比例对计算机系统性能的影响（简述计算机功能分别用硬件实现和软件实现的优点和缺点）⭐⭐

答案：
一般来说,提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需的存储空间，但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性及适应性;
而提高软件功能的比例可降低硬件成本,提高系统的灵活性、适应性，但解题速度会下降,软件设计费用和所需的存储器用量增加。

识记：硬↑，优：解题速度↑存储空间↓ ，缺：硬件利用率↓ 灵活性适应性↓，反之。

2.简述软、硬件取舍的基本原则。 ⭐

答案：
（1）应考虑在现有硬、器件条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。
（2）要考虑到准备采用和可能采用的组成技术,使之尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。
（3）不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。

识记：性价比，技术，硬软

3.简述计算机系统的定量设计原理。 ⭐

答案：
在设计计算机系统时，一般应遵循如下的定量设计原理：
（1）哈夫曼压缩原理。尽可能加速处理高概率的事件远比加速处理概率很低的事件对性能的提高要显著。
（2）Amdahl定律。该定律可用于确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高速度后系统性能改进的程度，即系统加速比。
（3）程序访问的局部性原理。统计表明，程序执行时，90%的时间只访问整个程序的10%那一部分，而其余10%的时间才访问另外90%的那部分程序。

识记：哈夫曼压缩原理，Amdahl定律都是大题可能考的，局部性就是空间局部性和时间局部性，页面替换算法就是根据这个来的

4.简述系列机思想对计算机发展的意义和系列机软件兼容的要求。 ⭐

答案：
系列机较好解决了软件设计环境要求相对稳定和硬件、器件、组成等技术在飞速发展的矛盾。
软件可以丰富积累，器件、硬件和组成又能不断更新，使之短期内就能提供出性能更好、价格更便宜的新机器，有力地促进计算机的发展。
系列机软件兼容要求是必须保证实现软件的向后兼容，力争做到向上兼容。

识记：系列机对软件的移植要稳定的环境，但硬件在高速发展，iPhone4～iPhone13迭代更新
向后兼容：系列内后的时间，早期可运行的软件可以运行后来的机器，指令和结构只能增不能删，比如iPhone6，iPhone6S，iPhone6Plus
向上兼容：系列机的档次，低档可运行的软件可以运行高档的机器，只能给你尽量做到兼容，还是要靠软件去适配新系统，更老旧的指令和结构会慢慢移除掉

5.什么是翻译技术？什么是解释技术？⭐

答案：
翻译技术是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上的等效的程序，然后在低一级机器级上实现的技术。
解释技术则是在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高级机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

识记：翻译有两种，一个是编译一个是解释，就是把我们写的代码由编译器翻译成中间语言代码，再由解释器对中间代码进行解释，翻译多了道编译程序，但编译后的程序执行效率高。
解释就是JS/Shell/Lua这些脚本语言执行到哪一行才翻译哪一行，效率低

6.解释模拟和仿真的含义，主要区别是什么？⭐⭐⭐

答案：
模拟是指用软件的方法在一台计算机上实现另一台计算机的指令系统，是基于机器指令的。仿真是用微程序的方法在一台机器上实现另一台机器的指令系统。
主要区别在于解释用的语言。仿真是用微程序解释，其解释程序存储于控制存储器中；而模拟是用机器语言程序解释，其解释程序存储于主存中。

识记：仿真是在最下层微程序机器级上解释，模拟是在上一层传统机器级上解释（仿真速度快，但机器结构差异大的时候很难仿真）

7.什么是并行性，什么是并发性。⭐⭐

答案：
并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的任务。
并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

识记：并行性包含同时性和并发性，并发性和我们平常说的多并发不同，同时性才是同一时刻哦

8.从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为哪几级？⭐⭐⭐

答案：
从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为：
指令内部——一条指令内部各个微操作之间的并行执行。
指令之间——多条指令的并行执行。
任务和进程之间——多个任务或程序的并行执行
作业和程序之间——多个任务或多道程序的并行执行。

识记：指令内部，指令之间，一个作业由多个任务完成，一个程序就是一个进程

9.简述并行性从计算机系统处理数据的角度划分的四个等级，并各举一例。 ⭐⭐⭐

答案：
从计算机系统中处理数据的角度来看,并行性等级从低到高可以分为四级。分别是：
①位串字串——同时只对一个字的一位进行处理,这通常是指传统的串行单处理机,没有并行性。
②位并字串——同时对一个字的全部位进行处理,这通常是指传统的并行单处理机,开始出现并行性。
③位片串字并——同时对许多字的同一位进行处理,开始进入并行处理领域。如某些相联处理机及阵列处理机。
④全并行——同时对许多字的全部或部分位组进行处理。如某些相联处理机、大多数阵列处理机及多处理机。

识记：同时，一个字一位，一个字全部位，多个字同一位，多个字全部或部分位组

10.简述并行性从计算机系统信息加工的角度划分的四个等级，并各举一例。 ⭐⭐⭐

答案：
①存储器操作并行——相联处理机
②处理器操作步骤并行——流水线处理机
③处理器操作并行——阵列处理机
④指令、任务、作业并行——多处理机

识记：存储器，处理器，多并行

11.简述开发并行性的三种途径。 ⭐⭐⭐

答案：
（1）开发并行性的途径有时间重叠、资源重复和资源共享等。
（2）时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让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，加快硬件周转来赢得速度。
（3）资源重复是在并行概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。
（4）资源共享是用软件方法，让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高资源利用率，相应地也就提高了系统的性能。

识记：时间轮流重叠，空间重复硬件，资源轮流使用
时间重叠典型的例子就是 第6章的标量处理机
资源重复典型的例子就是 第7章多处理机或机群系统
资源共享典型的例子就是 多道程序分时系统

12.计算机系统的弗林(Flynn)分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？⭐⭐⭐

答案：
弗林(Flynn)分类法是按指令流、数据流及其多倍性分类的，共分为四类：
（1）单指令流单数据流(SISD)。指令部件每次只对一条指令处理，只控制一个操作部件操作。
（2）单指令流多数据流(SIMD)。由单一指令部件同时控制多个重复设置的处理单元，执行同一指令下不同数据的操作。
（3）多指令流单数据流(MISD)。多个指令部件对同一数据的各个处理阶段进行操作。
（4）多指令流多数据流(MIMD)。多个独立或相对独立的处理机分别执行各自的程序、作业或进程。

识记：Single单，Multiple多，Instruction指令，Data数据

第2章 数据表示、寻址与指令系统

1.简述数据描述符和标志符的差别。 ⭐

答案：
数据描述符和标志符的差别在于：
标志符是和每个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征；
数据描述符则是与数据分开存放用于描述所要访问的数据是整块的还是单个的，访问该数据块或数据元素所要的地址以及其他信息等。

识记：标志符数据表示：描述每一个数据
数据描述符：描述一组数据，向量、数组，数据块：比如数组再嵌套数组的情况

2.简述标志符数据表示的主要优点。 ⭐

答案：
标志符数据表示的主要优点是：
(1) 简化了指令系统和程序设计。
(2) 简化了编译程序。
(3) 便于实现一致性校验。
(4) 能由硬件自动变换数据类型。
(5) 支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求，使程序不用修改即可处理多种不同类型的数据。
(6) 为软件调试和应用软件开发提供了支持

识记：(1)(2)标识符应由编译程序建立，所以对于下层的指令系统和上层的程序猿都减轻了负担，明确了是哪种指令自己也更简明了。
(3)(4)提供了类型安全：比如字符串不能做乘法，自动变化数据类型：比如整数和浮点数运算时整数会自动转成浮点数。
(5)(6)数据库类型无关，可以断点调试，更好的开发软件

3.简述数据表示和数据结构之间的关系及引入高级数据表示的基本原则。 ⭐⭐

数据表示反映了应用中要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系。
数据结构是要通过软件映像，变换成计算机中所具有的数据表示来实现的。
不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现为实现效率和方便性的不同。
数据结构和数据表示是软、硬件的交界面。
高级数据表示的引入的基本原则是:
（1）看系统的效率是否有显著提高，包括实现时间和存储空间是否有显著减少。
（2）看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否提高。

4.简述程序的动态再定位思想。⭐⭐

在硬件上设置基址寄存器和地址加法器。在程序不作变换直接装入主存的同时，装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中。程序执行时，只要通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基址形成物理（有效）地址后去访存即可。

5.简述编译程序设计者要求指令系统应具有的特性。 ⭐

编译程序设计者要求指令系统应设计具有:
(1) 规整性。对相似的操作做相同的规定。
(2) 对称性。定义相同，便于编译。
(3) 独立性和全能性。如果有多种程序选择实现同一种功能,为减少编译时哪种实现好的分析,应限定操作只能有一种选择方式。
(4) 正交性。指令中各个不同含义的字段,如操作类型、数据类型、寻址方式等,在编码时应互不相关,相互独立。
(5) 可组合性。让指令系统中所有操作对各种寻址方式和数据类型都能适用。
(6) 可扩充性。要留有一定数量的冗余操作码,以便以后扩充新指令。

6.简述指令字格式优化的措施。 ⭐

（1）采用扩展操作码，并根据指令的频度 pi 的分布状况选择合适的编码方式，以缩短操作码的平均码长。
（2）采用诸如基址、变址、相对、寄存器、寄存器间接、段式存放、隐式指明等多种寻址方式，以缩短地址码的长度，并在有限的地址长度内提供更多的地址信息。
（3）采用 0、1、2、3 等多种地址制，以增强指令的功能，这样从宏观上就越能缩短程序的长度，并加快程序的执行速度。
（4）在同种地址制内再采用多种地址形式，如寄存器-寄存器、寄存器-主存、主存-主存等，让每种地址字段可以有多种长度，且让长操作码与短地址码进行组配。
（4）在维持指令字在存储器中按整数边界存储的前提下，使用多种不同的指令字长度。

7.简述CISC存在的问题。 ⭐⭐⭐

（1）指令系统庞大，一般指令在200条以上。
（2）许多指令的操作繁杂，执行速度很低。
（3）由于指令系统庞大，使高级语言编选择目标指令的范围太大，因此，难以优化生成高效机器语言程序，编译程序也太长、太复杂。
（4）由于指令系统庞大，各种指令的使用频度都不会太高，差别很大，其中相当一部分指令的利用率很低。

8.设计RISC的基本原则。 ⭐⭐⭐

（1）确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，再增加少量能有效支持操作系统、高级语言实现及其他功能的指令，大大减少指令条数，一般使之不超过 100 条。
（2）减少指令系统所用寻址方式种类，一般不超过两种。简化指令的格式限制在两种之内，并让全部指令都是相同长度。
（3）让所有指令都在一个机器周期内完成。
（4）扩大通用寄存器数，一般不少于 32 个，尽量减少访存，所有指令只有存、取指令访存，其他指令一律只对寄存器操作。
（5）为提高指令执行速度，大多数指令都用硬联控制实现，少数指令才用微程序实现。
（6）通过精简指令和优化设计编译程序，简单、有效地支持高级语言的实现。

9.简述设计 RISC 结构可采用的基本技术。 ⭐⭐⭐

（1）按设计 RISC 的一般原则来设计。
（2）逻辑实现采用硬联和微程序相结合。
（3）在 CPU 中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口。
（4）指令用流水和延迟转移。
（5）采用高速缓冲存储器 Cache,设置指令 Cache 和数据 Cache 分别存放指令和数据。
（6）优化设计编译系统。

10.简述 RISC 的优缺点。 ⭐⭐

采用 RISC 技术的好处主要有以下几个方面：
（1）简化指令系统设计，适合 VLSI 实现。
（2）提高计算机的执行速度和效率。
（3）降低设计成本，提高系统的可靠性。
（4）可直接支持高级语言的实现，简化编译程序的设计。

但是，RISC 也存在着一些问题和不足，主要有：
（1）加重了汇编语言程序设计的负担，增加了机器语言程序的长度，占用存储空间多，加大了指令的信息流量。
（2）对浮点运算的执行和虚拟存储器的支持不足。
（3）RISC 计算机的编译程序比 CISC 的难写。

第3章 存储、中断、总线与I/O系统

1.简述中断和中断系统的定义。 ⭐⭐⭐

CUP中止正在执行的过程，转去处理随机提出的请求，待处理完后，再回到原来被打断的程序继续恢复执行的过程称为中断。
响应和处理各种中断的软、硬件总体称为中断系统。

2.IBM370中断分为几类？中断怎么分级？⭐

IBM370将中断分为6类：机器校验，管理程序调用、程序性、外部、输入/输出、重新启动。
中断系统按中断源的级别高低来响应，通常优先级最高的中断为第1级，依次类推，不同计算机有所差异。IBM370中断分5级：机器校验为第一级，程序性和管理程序调用为第2级，外部为第三级，输入/输出为第四级，重新启动为最低级。

3.简述中断系统的功能。⭐⭐

答案：
中断系统的功能包括中断请求的保存和清除，优先级的确定，中断断点及现场的保存，对中断请求的分析和处理以及中断返回等。
中断系统的软、硬件功能分配实质上是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。

4.简述总线控制的三种方式及各需要增加用于总线控制的控制线根数。 ⭐⭐⭐

总线控制的三种方式有：
（1）串行链接。需增加根控制线。
（2）定时查询。需增加根控制线。
（3）独立请求。需增加根控制线。

5.简述专用总线的概念并说明专用总线的优点和缺点。 ⭐⭐

答案：
只连接一对物理部件的总线称专用总线。
其优点是多个部件可以同时收/发信息，不争用总线，系统流量高；通信时不用指明源和目的，控制简单；任何总线的失效只会使连于该总线的两个部件不能直接通信，因而系统可靠。
专用总线的缺点是总线数多。当总线较长时，成本相当高。此外，专用总线的时间利用率低。

6.简述总线独立请求控制方式的优点和缺点。⭐⭐

答案：
独立请求方式的优点是：总线分配速度快，所有部件的总线请求同时送到总线控制器，不用查询；控制器可以使用程序可控的预定方式、自适应方式、循环方式或它们的混合方式灵活确定下一个使用总线的部件；能方便地隔离失效部件的请求。
缺点是：控制线数量过大，为控制 N 个设备必须有2N+1根控制线，而且总线控制器要复杂得多。

7.简述通道的 3 种类型各适合连接什么类型设备，说明各种类型通道在满负荷时的实际流量与所连接设备的关系。 ⭐⭐

答案：
（1）根据通道数据传送期中信息传送方式的不同，可分为字节多路、数组多路和选择 3 类通道。
（2）字节多路通道适用于连接大量的像光电机等字符类低速设备。设备要求通道的实际最大流量，字节交叉方式工作的应是该通道所接各设备的字节传送速率之和。
（3）数组多路通道适合于连接多台磁盘等高速设备。数组多路的应是所接各设备的字节传送速率中的最大者。
（4）选择通道适合于连接优先级高的磁盘等高速设备，选择工作的应是所接各设备的字节传送速率中的最大者。

8.简述字节多路通道，数组多路通道，选择通道分别适用连接的设备及各通道的特点。 ⭐⭐⭐

答案：
（1）字节多路通道适合于连接大量的字符类低速设备，传送一个字符(字节)的时间很短，但字符(字节)间的等待时间很长。
（2）数组多路通道适合于连接多台高速设备，设备的传送速率很高，但传送开始前的寻址辅助操作时间很长。
（3）选择通道适用于连接优先级高的高速设备，在数据传送期内独占通道，只能执行一道通道程序。

9.简述数组多路通道的数据传送方式。⭐

答案：
数组多路通道适合于连接多台磁盘等高速设备。这些设备的传送速率很高，但传送开始前的寻址辅助操作时间很长。为了充分利用并尽可能重叠各台高速设备的辅助操作时间，不让通道空闲等待，采用成组交叉方式工作。其数据宽度为定长块，传送完 K 个字节数据后就重新选择下个设备。它可有多个子通道，同时执行多个通道程序。所有子通道能分时共享输入/输出通道，但它是以成组交叉方式传送的，既具有多路并行操作的能力， 又具有很高的数据传送速率。

第4章 存储体系

1.简述虚拟存储器的基本思想。 ⭐⭐

答案：
虚拟存储器是以存储器访问的局部性为基础，建立在主-辅存体系上的存储管理技术。它的基本思想是通过某种策略，把辅存中的信息一部分一部分地调入主存，以给用户提供一个比实际主存容量大得多的地址空间来访问主存。

2.简述提出虚拟存储器的原因并根据存储映像算法的不同写出虚拟存储器主要的三种存储管理方式。 ⭐

答案：
虚拟存储器是因主存容量满足不了而提出的。根据存储映像算法的不同，主要可分为段式管理，页式管理，段页式管理。

3.考虑Cache采用何种替换策略，最主要的影响因素是什么？常用的替换算法有几种？⭐

答案：
最主要的影响因素是命中率。常用的替换算法有随机算法，先进先出算法和最近最少使用算法。

4.在页式虚拟存储器中，什么叫页面失效？什么叫页面争用？什么时候两者同时发生？什么时候两者不同时发生？ ⭐

答案：
要访问的虚页不在实主存中时，就发生页面失效。
当页面调入主存中，主存中的页面位置已全部被其他虚页占用了，称发生页面争用。
当分配给程序的内存区已被全部占用后，只要发生页面失效，就一定会发生页面争用。
反之，发生页面争用，并不会发生页面失效。

5.简述Cache存储器地址映像的方式。 ⭐

答案：
（1）全相联映像：主存中的任意一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。
（2）直接映像：主存中的每一块只能放置到Cache中唯一的一个位置。
（3）组相联映像：主存中的每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任意一个位置。

6.简述更新主存内容的写回法和写直达法的基本原理。 ⭐⭐

答案：
写回法也称为抵触修改法。它是在 CPU 执行写操作时,信息只写入Cache，仅当需要替换时，才将改写过的 Cache 块先写回主存，然后再调入新块。
写直达法也称存直达法。它是利用 Cache 存储器在处理机和主存之间的直接通路,每当处理机写入 Cache 的同时,也通过此通路直接写入主存。

7.简述在对Cache进行写操作时采用的两种更新策略及各自的优缺点。 ⭐

答案：
（1）写直达法：是在对Cache进行写操作的同时，也对主存写内容。由于写直达法Cache及主存内容同时更新，所以一致性保持得比较好，可靠性比较高，操作过程比较简单。但写直达法每次操作都要访问主存，所以写操作的速度得不到改善，仍然是访问主存的速度。
（2）写回法：指在CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存，当需要替换该块时，把修改过的块写回内存。其优点是Cache的速度比较高，因为每次访问命中的写操作只写Cache，不写主存，只有在发生替换时才将修改过的块写入主存。写回法因为有一段时间Cache与主存内容不一致，所以可靠性比写直达法差，而且控制操作比较复杂。

识记：写直达法同时更新，优点：一致性好，可靠性高，简单，缺点：速度是访存。
写回法替换该块才写回主存，优点：速度比较高，缺点：一致性差，可靠性差，复杂。
（写回法在主存- Cache的地址映像表中需为Cache中每一块设置一个“修改位”，修改过置为1，所以写回法把开销时间花在每次要替换的时候，写直达法是把开销花在每次写Cache时都要增加一个比写Cache时间长得多的写主存时间。）

第5章 标量处理机

1.简述顺序方式与重叠方式的定义。 ⭐⭐

答案：
顺序解释指的是各条指令之间顺序串行（执行后一条指令后才取下一条指令）地进行，每条指令内部的各个微操作也顺序串行地进行。
指令的重叠解释是在解释第k条指令的操作完成之前，就可以开始解释第k+1条指令。

2.简述流水的向上扩展、向下扩展的含义。 ⭐

答案：
所谓向下扩展指的是把子过程进一步细化，让每个子过程经过的时间都同等程度地减少，吞吐率就会进一步提高。
流水的向上扩展可理解为在多个处理机之间的流水。多个处理机串行地对数据集处理，各处理机专门完成其中的一个任务。

3.流水按处理级别可分为哪三级？ ⭐⭐⭐

答案：
流水按处理级别可分为3级：部件级，处理机级和系统级。
部件级流水是指构成部件内的各个子部件间的流水，如运算器内浮点加的流水、cache内和多体并行主存内的流水。
处理机级流水是指构成处理机的各部件之间的流水，如“取指”、“分析”、“执行”间的流水。
系统级流水是指构成计算机系统的多个处理机之间的流水，也称为宏流水。

4.简述静态流水线和动态流水线的含义。 ⭐⭐

答案：
静态流水线在某一个时间内各段只能按一种功能连接流水，只有等流水线全部留空后，才能切换成按另一种功能连接流水。
动态流水线的各功能段在同一时间内可按不同运算或功能连接。

识记：静态和动态都是多功能流水线。区别在于静态流水线就是先干完同一个功能才能干另一个功能的。 而动态流水线就是可以同时干多个功能的，允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却正在实现另一种运算，比如加法和乘法同时进行，参考大题12-3

5.解释标量流水处理机主要性能指标：吞吐率、加速比和效率。 ⭐

答案：
吞吐率：吞吐率是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。
加速比：表示流水方式相对于非流水顺序方式速度提高的比值。
效率：流水线中设备的实际使用时间与整个运行时间之比，也称流水线设备的时间利用率。

6.简述在流水机器中全局性相关的概念及处理全局性相关的方法。 ⭐⭐⭐

答案：全局性相关指的是已进入流水线的转移指令和其后续指令之间相关。
处理方法有:
(1)猜测法,猜选其中一个分支继续流入,待条件码形成后再决定是继续执
行,还是作废,按另一条重新流入;
(2)加快和提前形成转移所需的条件,包括指令内或程序段内条件码的提前生成。
(3)采取延迟转移，这是用软件方法进行静态指令调度的技术。
(4)加快短循环程序的处理。

7.简述流水线技术的特点。 ⭐

答案：
（1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高效率。
（2）流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。
（3）流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。
（4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。
（5）流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。

8.简述流水线中可能出现的三种相关。 ⭐⭐

答案：
（1）资源相关：指当有多条指令进入流水线后在同一机器周期内争用同一功能部件所发生的冲突。
（2）数据相关：是在几条相近的指令间共用相同的操作数时发生的。
（3）控制相关：是无条件转移和条件转移引起的，统计表明，转移指令约占总指令的1/4左右

9.20世纪80年代RISC兴起后，出现的提高指令级并行的高性能超级处理机有哪些？⭐

答案：
（1）超标量处理机
（2）超长指令字处理机
（3）超流水线处理机
（4）超标量超流水线处理机。

10.简述如果要设计一套超长指令机系统，必须遵循的主要准则。 ⭐⭐

答案：
（1）单一的控制器，只有一个控制器，每个时钟周期启动一条长指令。
（2）超长指令字被分成多个控制字段，每个字段直接独立地控制每个功能部件。
（3）含有大量的数据通路和功能部件，由于编译在编译时间已考查可能出现的数据相关，故控制硬件比较简单。
（4）在编译阶段完成超长指令中多个可并行操作的调度。

11.简述超流水线处理机提高指令级并行的方法和特点。 ⭐⭐

答案：
超流水线处理机着重开发时间并行性，在公共的硬件上采用较短的时钟周期，深度流水来提高速度，需使用多相时钟。

第6章 向量处理机

1.用什么方法可以提高向量处理机的性能？ ⭐⭐

答案：
（1）设置多个功能部件，使它们并行工作
（2）采用连接技术，加快一串向量指令的执行
（3）采用循环开采技术，加快循环的处理
（4）采用多处理机系统，进一步提高性能

2.简述阵列机与流水线处理机相比的特点。 ⭐ ⭐ ⭐

答案：
（1）阵列处理机利用的是资源重复，而不是时间重叠；
（2）利用的是并行性中的同时性，而不是并发性；
设备利用率可能没有多个单功能流水线部件的那样高，在硬件价格有了大幅度下降以及系统结构有了较大改进的情况下，才能有好的性能价格比；
提高速度主要是靠增大处理单元数；
（3）使用简单、规整的互连网络来确定处理单元间的连接；在机间互连上比固定结构的单功能流水线灵活，专用性强得多，结构是与采用的并行算法紧密联系在一起的。

3.简述互连网络的概念。 ⭐

答案：
互连网络是一种由开关元件，按照一定的拓扑结构和控制方式构成的，用来实现计算机系统内部的多个处理机或者是多个功能部件之间的相互连接。

4.简述 SIMD 系统互连网络的设计目标。 ⭐ ⭐ ⭐

答案：
SIMD 系统的互连网络的设计目标是：结构不要过分复杂，以降低成本；互连要灵活，以满足算法和应用的需要；处理单元间信息交换所需的传送步数要尽可能少，以提高速度性能；能用规整单一的基本构件组合而成，或者经多次通过或者经多级连接来实现复杂的互连，使模块性好，以便于用 VLSI 实现并满足系统的可扩充性。

5.什么是全排列网络？实现全排列网络有哪两种方法？ ⭐ ⭐ ⭐

答案：
在多级互连网络中，能实现两对或多对入、出端之间的连接时，都不会发生数据传输路径的冲突，具有这类性质的互连网络称为全排列网络。
实现全排列网络的两种方法：
1.在多级互连网络的输出端设置锁存器，使数据在时间上顺序通行两次
2.将两个多级互连网络，即一个正网络和一个逆网络串接起来，合并掉中间完全重复的一级，形成级的多级网络。

6.简述脉动阵列结构的特点。 ⭐ ⭐

答案：
脉动阵列结构具有如下一些特点：
1)结构简单、规整，模块化强，可扩充性好。
2)PE 间数据通信距离短、规则，使数据流和控制流的设计、同步控制等均简单规整。
3)脉动阵列中所有 PE 能同时运算，具有极高的计算并行性，可通过流水获得很高的运算效率和吞吐率。输入数据能被多个处理单元重复使用，大大减轻了阵列与外界的 I/O 通信量，降低了对系统主存和 I/O 系统频宽的要求。
4)脉动阵列结构的构形与特定计算任务和算法密切相关，具有某种专用性。

第7章 多处理机

1.简述多处理机与阵列处理机在指令流和并行等级的区别。 ⭐⭐⭐

答案：
（1）指令流的区别：阵列处理机是单指令流，多处理机是多指令流。
（2）并行等级的区别：阵列处理机主要针对向量、数组处理，实现向量指令操作级的并行，是开发并行性的同时性；多处理机实现的则是更高一级的作业或任务间的并行，是开发并行性中的并发性。

2.什么是紧耦合多处理机？什么是松耦合多处理机？ ⭐⭐

答案：
处理机之间通过互连网络共享主存的是紧耦合多处理机
各处理机间通过共享I/O子系统、通道或通信线路实现机器间通信，不共享主存的是松耦合多处理机。

3.简述多处理机机间互连的形式。 ⭐⭐

答案：
多处理机的互连一般采用总线、环形互连、交叉开关、多端口存储器或蠕虫穿洞寻径网络、开关枢纽结构等几种形式。

4.简述并行算法的定义。 ⭐

答案：
并行算法是指可同时执行的多个进程的集合，各进程可相互作用，协调与并发操作。

5.简述任务粒度的大小对多处理机性能和效率的影响。 ⭐⭐

答案：
任务粒度的大小会显著影响多处理机的性能和效率。任务粒度过小，辅助开销大，系统效率低；任务粒度过大，并行度低，性能不会很高。因此，要合理选择任务粒度大小，并使其尽可能均匀，还要采取措施减少辅助开销，以保证系统性能随处理机数目的增大能有较
大的提高。

6.多处理机操作系统的3种类型各适合于哪类机器？ ⭐⭐

答案：
多处理机机操作系统有主从型，各自独立型和浮动型3类。
主从型操作系统适合于工作负荷固定，从处理机能力明显低于主处理机，或由功能差别很大的处理机组成的异构型多处理机。
各自独立型操作系统适合于松耦合多处理机系统。
浮动型操作系统适合于紧耦合多处理机，特别是公共主存和I/O子系统的多个相同处理机组成的同构型多处理机。

7.简述多处理机主从型操作系统的优缺点。 ⭐⭐

答案：
主从型操作系统的结构比较简单;整个管理程序只在一个处理机上运行,除非某些需递归调用或多重调用的公用程序,一般都不必是可再入的;只有一个处理机访问执行表,不存在系统管理控制表格的访问冲突和阻塞,简化了管理控制的实现。
对主处理机的可靠性要求很高。整个系统显得不够灵活。即使主处理机是专门的控制处理机,如果负荷过重,也会影响整个系统的性能。特别是当大部分任务都很短时,由于频繁地要求主处理机完成大量的管理性操作,系统效率将会显著降低

8.什么是机群系统？ ⭐

答案：
机群系统是利用高速通用网络将一组高性能工作站或高档PC机，按某种结构连接起来，并在并行程序设计以及可视化人机交互集成开发环境支持下，统一调度、协调处理，实现高效并行处理的系统。

9.简述机群系统与传统的并行处理系统相比较所具有的优点。 ⭐⭐

答案：
机群系统比起传统的并行处理系统有如下明显的优点:
1)系统有高的性能价格比。
2)系统的开发周期短。
3)系统的可扩展性好。
4)系统的资源利用率高。
5)用户投资风险小。
6)用户编程方便。

第8章 数据流计算机和归约机

1.简述控制驱动的控制流方式和数据驱动的数据流方式的特点。 ⭐

答案：
控制驱动的控制流方式的特点是：通过访问共享存储单元让数据在指令之间传递；指令执行的顺序性隐含于控制流中，但却可以显式地使用专门的控制操作符来实现并行处理；指令执行的顺序受程序计数器控制，换句话说，是受控制令牌所支配的。
数据驱动的数据流方式则不同，它没有通常的共享变量的概念，即没有共享存储数据的概念；指令执行序只受指令中数据相关性的制约；数据是以数据令牌方式直接在指令之间传递的。

2.简单数据流计算机存在的问题。 ⭐

答案：
（1）如果题目数据相关性很强，并行成分不多，会使其效率比传统的Neumann型机低。
（2）给数据建立、识别、处理标记，需要花费多的辅助开销和较大的存储空间。
（3）数据流计算机不保存数组。
（4）变量代表数值，程序员无法控制存储分配。
（5）互连网络设计困难，I/O系统不够完善。
（6）没有程序计数器，诊断和维护困难。

3.简单分析归约机和数据流机的异同。 ⭐⭐

答案：归约机和数据流机一样都是基于数据流的计算机模型，只是其采用的驱动方式不同。
数据流机是采用数据驱动的，执行的操作序列取决于输入数据的可用性；
归约机则是需求驱动的，执行的操作序列取决于对数据的需求，对数据的需求又来源于函数式程序设计语言对表达式的归纳。

4. 简述归约机的特点。 ⭐

答案：
1)归约机应当是面向函数式语言，或以函数式语言为机器语言的非 Neumann 型机器。
2)具有大容量物理存储器并采用大虚存容量的虚拟存储器，具备高效的动态存储分配和管理的软、硬件支持。
3)处理部分应当是一种有多个处理器或多个处理机并行的结构形式。
4)采用适合于函数式程序运行的多处理器（机）互连的结构。
5)尽量把运行进程的结点机紧靠该进程所需用的数据安排，并使运行时需相互通信的进程所占用的处理机也靠近，让各处理机的负荷平衡。