2021年四川大学计算机系统结构期末复习题.docx

简介：
该文档为《2021年四川大学计算机系统结构期末复习题》，包含了计算机系统结构课程的重点知识和相关练习题，适用于参加期末考试的学生进行复习。 计算机系统结构是一门研究计算机软硬件接口的学科领域，它定义了如何设计与理解一个计算体系。在这一框架下，组成指的是逻辑层面的设计细节，包括数据流、控制流程以及各个组件之间的相互作用；而“实现”则侧重于物理层面上的具体构造和实施。 多指令流多数据流（MIMD）系统允许多个处理器同时执行不同的指令集，并处理各自的独立数据集合。Amdahl定律是评估通过提升某一特定部分性能对整体计算效率影响的重要原则，其核心在于加速某一部分的运行速度所能带来的总效能改进量取决于该组件在整个任务中所占的时间比例。衡量CPU性能的一个常见方法是使用CPU时间，这可以通过将指令数量（IC）乘以每条指令所需平均时钟周期数(CPI)再乘以单个时钟周期的实际持续时间来计算得出。 程序的局部性原理指出，在执行过程中经常重复访问最近或者相邻的数据。这一规律被用于设计高速缓存机制，用以存储常用数据并减少对主内存的频繁访问需求。 为了增强计算机系统的并发处理能力，主要有三种技术路径：通过重叠操作的时间（如流水线技术）、复制资源供多个处理器独立使用以及在有限硬件上轮流执行多项任务。指令集架构(ISA)规定了机器能够识别和执行的具体指令集合，涵盖数据类型、地址模式及中断管理等方面的内容，并且通常被划分为RISC(精简指令集计算机）与CISC（复杂指令集计算机）。前者通过简化命令格式以及减少寻址方式来提高运行效率；后者则提供多样化的功能支持以满足各种需求。 流水线技术是提升处理器性能的关键方法，根据不同的应用可以细分为单功能、多功能、静态和动态类型。解决流水线中的瓶颈问题可以通过细分关键环节增加资源重复或采用多级锁存等策略实现。评估流水线效率的一个重要指标就是加速比——即在启用与未启动流水技术下完成相同任务所需时间的比例。 指令间的相互作用可能会导致管道冲突，包括数据相关（如名相关、写后读、写后写、读后写）、控制依赖和结构限制等问题。为缓解这些问题，可以采用定向传送不确定结果的技术来提前解决潜在的延迟，并利用软件方法进行分支预测以减少等待时间。静态调度与动态调度是处理这类冲突的主要策略之一；前者在编译阶段做出决策而后者则是在运行时确定最佳方案。Tomasulo算法通过记录指令相关性并使用寄存器重命名技术来规避三种主要的数据依赖问题，同时利用分支历史表（BHT）进行预测未来的转向行为以进一步优化性能表现。