考试题型：
单选：10*2=20分
判断：10*1=10分
填空：10*1=10分
简答：4*5=20分
应用：4*10=40分
考试范围：1~6章
一、计算机体系结构的基本概念
重点内容：
1.冯诺伊曼计算机的组成。
2.存储程序计算机的特点。
3.体系结构的定义、三个组成。
4.系列机和兼容机的概念。
5.并行性的概念、提高并行性的途径。
6.大概率事件优先原则、Amdahl定律、程序的局部性原理。
7.CPU的性能公式，计算。
相关知识：
1.冯诺伊曼计算机的组成。
答：冯诺依曼计算机主要又四个部分组成：
运算器：用于数值运算
存储器：用于存储数据和程序
输入输出设备：用于完成计算机和外部的信息交换。
控制器：根据程序形成控制（指令、命令）序列，完成对数据的运算。
2.存储程序计算机的主要特点。
答：存储程序计算机在体系结构中主要特点如下：
a.机器以运算器为中心。
b.采用存储程序原理。
c.存储器是按地址访问的、线性编址的空间。
d.控制流由指令流产生。
e.指令由操作码和地址码组成。
f.数据以二进制编码表示，采用二进制运算。
3.体系结构的定义、三个组成。
答：体系结构：计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念结构与功能特性。
计算机体系结构由：计算机指令系统、计算机组成和计算机硬件组成。
4.系列机和兼容机的概念。
答：系列机：系列机是具有相同体系结构，但组成和实现不同的 一系列不同型号的计算机系统。
兼容机：把不同厂家所生产的具有同样体系结构的计算机称为兼容机。
5.并行性的概念、以及提高并行性的途径。
答：并行性：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工作。
提高并行性的途径：
a.时间重叠
b.资源重复
c.资源共享
6.大概率事件优先原则、Amdahl定律、程序的局部性原理。
答：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的使用权，以获得全局的最优结果。
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。
程序的局部性原理：程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，也就是说程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对簇聚的：这种簇聚包括指令和数据两部分。
7.CPU的性能指标计算。
答：IC：指令数量，CPI：每条指令所需的时钟周期数。
CPI = 总时钟周期数/IC
系统加速度比 = 系统性能（改后）/（改前）=总执行数据（前）/（后）
总执行时间 = （1-可改进比）*（总执行时间）+（可改进比*总执行时间前）/部件加速比
总执行时间 = 总执行时间（前）*（1-可改进比 + 可改进比/部件加速比）
系统加速比 = 1/（1-可改进比 + 可改进比/部件加速比）
二、指令系统
重点内容：
1.寻址方式的概念。
2.表2-4中典型的操作数寻址方式。
3.CISC和RISC指令集，设计RISC的基本原则、RISC的基本特点。
4.MIPS指令系统。
相关知识：
1.寻址方式的概念。
答：寻址方式：寻址方式是指指令系统中产生所要访问的数据地址的方式。一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。
2.表2-4中典型的操作数寻址方式。
答：如下，其中偏移寻址、立即数寻址、寄存器间接寻址出现频次最高。
3.CISC和RISC指令集，设计RISC的基本原则、RISC的基本特点。
答：CISC指令集结构存在的问题：
a.各种指令的使用频度相差悬殊，许多指令很少用到。
b.指令系统庞大，指令条数很多，许多指令的功能复杂。
c.许多指令操作复杂，CPI较大。
d.指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水技术来提高性能。
设计RISC的基本原则：（课本上）
a.指令条数少、指令简单。
b.采用简单而又统一的指令格式。
c.指令的执行在单周期内完成。
d.采用Load-Store结构。
e.大多数指令都采用硬连线逻辑来实现。
f.强调编译器的作用，为高级语言生成优化的代码。
g.充分利用流水技术提高性能。
PPT:
a.选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；
b.每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；
c.所有指令长度均相同；
d.只有load和store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行；
e.以简单有效的方式支持高级语言。
4.MIPS指令系统
答：课本P57-61。
三、流水线
重点内容：
1.流水线技术的概念、流水线技术的特点。
2.流水线的分类。
3.MIPS流水线取指令从哪？当前指令的地址由PC，NPC是下一条。
4.流水线的性能分析，各种指标的计算。
5.不等时间的流水线吞吐率由最慢的一段确定，解决方法有：瓶颈段细分、瓶颈段重复设置方法。
6.流水线中的相关。
7.定向技术的思想。
8.数据相关的分类。
9.对数据相关的采用编译器调度方法如何实现的。（讲过例题）
10.流水线的控制相关，调度分支延迟的三种方法。
相关知识：
1.流水线技术的概念、流水线技术的特点。(简答)？
答：流水线技术：将一重复的时序过程分解为若干子过程，每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行，这种技术称为流水技术。
流水线的特点：
a.流水过程由多个相关的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”条流水线的段数，也称为流水线的“深度”或“流水深度”。
b.每个子过程由专用的功能段实现。
c.各个功能段所需的时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈会造成流水线的“堵塞”和“断流”，这个时间一般为一个时钟周期(拍)或机器周期。
d.流水线需要有“通过时间”(第一个任务流出结果所需的时间)，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果。
e.流水技术适合大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务的，流水线的效率才能充分发挥。
2.流水线的分类。
答：单功能和多功能流水线：
单功能：只能完成一种固定功能的流水线。
多功能：流水线的各段可以进行不同的连接从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。
静态流水线和动态流水线
静态流水线：指在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
动态流水线：指在同一时间内，当某些段正在实现某种运算（如浮点乘）时，另一些段却在实现另外一种运算（如浮点加）。
部件级、处理机级、处理机间流水线；
部件级：又称为运算操作流水线。把处理机的运算逻辑部件分段，以便于各种数据类型进行流水操作。
处理机级：（指令流水线）是把解释指令的过程按照流水方式处理。
处理机间流水线：（宏流水线）由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每一个处理机完成一项任务。
标量流水处理机和向量处理流水机：
标量流水处理机：指处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。
向量流水处理机：指处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。
线性流水线和非线性流水线：
线性流水线：指流水线中各段串行连接，没有反馈回路。
非线性流水线：指流水线中除了有串行连接的通路外，还有反馈回路。
3.MIPS流水线取指令从哪？
答：取指令周期：根据PC值从存储器中取出指令，并将指令送到指令寄存器（IR）中；PC值增加4，并将下一条指令的有效地址放入零时寄存器NPC中。
4.流水线的性能分析，各种指标的计算。
答：吞吐率(Throughput Rate)是衡量流水线速度的重要指标。它是指在单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。
流水线的加速比(Speedup Ratio)是指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。对于连续完成n个任务来讲，如果流水线各段时间相等，则所需时间如式(3-3)所示。故加速比S为:
5.不等时间的流水线吞吐率由最慢的一段确定。
答：解决方法有：瓶颈段细分、瓶颈段重复设置方法。
6.流水线中的相关。
答：什么是相关？ 流水线中的相关是指相邻或相近的两条指令因存在某种关联，后一条指令不能在原先指定的时钟周期开始执行。
流水线中的相关主要分为以下三种：
a.结构相关：当指令在同步重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令的重叠执行的要求，发生资源冲突时将产生“结构相关”。
b.数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行效果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”。
c.控制相关：当流水线遇到分支指令和其他能够改变PC值的指令时就会发生“控制相关”。
7.定向技术的思想。
答：主要思想：将该计算结果从其产生的地方（寄存器文件EX/MEM）直接送到其他指令需要它的地方（ALU的输入寄存器），那么就可以避免暂停。
8.数据相关的分类。
答：写后读相关RAW、写后写相关WAW、读后写相关WAR。
9.对数据相关的采用编译器调度方法如何实现的。
答：编译器可以通过重新排列代码的顺序来消除这种暂停，这种技术就是“流水线调度”或“指令调度”
10.流水线的控制相关，调度分支延迟的三种方法。
四、指令级并行
重点内容：
1.指令级并行、循环展开。
2.相关性，和前面类似。
3.指令的动态调度。动态调度的一个概念。
4.静态调度如何调度的？通过编译器，软件调度。
5.动态调度方法：记分牌和Tomasulo算法。
6.控制相关的动态解决技术：分支预测缓冲、分支目标缓冲。
相关知识：
1.指令级并行、循环展开。
答：指令级并行：当指令之间不存在相关性时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行的。
循环展开：是展开循环体若干次，将循环级并行性转化为指令级并行的技术。
2.相关性，和前面类似。主要为以下内容
答：数据相关：对于指令i,j，如果指令j使用指令i的结果，或者指令j与指令k相关，指令k与指令i相关，则指令i与指令j数据相关
名相关：指令使用的寄存器或存储器称为名。如果两条指令使用相同的名，但是他们之间没有数据流，则称为名相关。指令j与指令i之间名相关有两种：a.反相关：指令i先执行，指令j写的名是指令i读的名。反相关指令之间的执行顺序是必须保证的，反相关就是先读后写相关。b.输出相关：指令j和指令i写相同的指令顺序是不允许颠倒的。输出相关就是写后写相关。换名技术主要解决先读后写相关和写后写相关。
控制相关：是指由分支指令引起的相关。它需要根据分支指令执行的结果来确定后续指令执行的顺序。控制相关与分支成功和分支不成功两个基本程序块的执行有关。处理控制相关有以下两个原则：a.与控制相关的指令不能移到分支指令之前，即控制有关的指令不能调度到分支控制范围以外；b.与控制无关的指令不能移动到分支指令之后，即控制无关的指令不能调度到分支指令的控制范围以内。
3.指令的动态调度。动态调度的一个概念。
答：动态调度：通过硬件重新安排指令的执行顺序来调度相关指令实际执行时的关系，减少处理器空转。
4.静态调度如何调度的？
答：通过编译器，软件调度。
静态调度：为了消除或减少处理器空转，首先需要编译器确定并分离出程序中存在的相关的指令，然后进行指令调度，比对代码进行优化。
5.动态调度方法：记分牌和Tomasulo算法。
答：记分牌算法：
基本原理：每条指令均经过记分牌，记录各指令间数据相关的信息，如果记分牌判断出一条指令不能立即执行，它就检测硬件的变化从而决定何时能够执行。
记分牌允许指令乱序执行前提：充足的资源，无数据相关；记分牌动态解决了先写后读相关，指令可以乱序执行。
Tomasulo算法：
核心思想：记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减小到最少；通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。寄存器换名是通过保留站实现，它保存等待流出和正在流出指令的操作数。
基本思想：只要操作数有效，就将其取到保留站，避免指令流出时才到寄存器中取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站中取得操作数，而不是从寄存器中。指令的执行结果也是直接送到等待数据的其他保留站中去。因而，对于连续的寄存器写，只有最后一个才真正更新寄存器中的内容。一条指令流出时，存放操作数的寄存器名被换成对应于该寄存器保留站的名称（编号）。
6.控制相关的动态解决技术：分支预测缓冲、分支目标缓冲。
答：分支预测缓冲
分支目标缓冲
五、存储层次
重点内容：
1.存储器的评估指标。（容量、速度、每位价格）
2.命中率，平均访问时间（这个时间注意一下（几个时间的区分），看给的哪个时间？）。
3.两种存储层次的关系、表5-2。
4.映像规则，理解概念。查找方式，主存地址的划分。
5.被写的块在Cache中，不在Cache中的写策略。
6.Cache的性能分析，平均访存时间、CPU时间。
7.改进Cache性能三个方面、分别有哪些措施，能够区分哪些措施是干什么的。
8.虚存的概念、原理。
9.主存的存储器的组织技术。
10.快表（TLB）的概念。
相关知识：
1.存储器的评估指标。（容量、速度、每位价格）
答：（容量、速度、每位价格）
2.命中率，平均访问时间（这个时间注意一下（几个时间的区分），看给的哪个时间？）
3.两种存储层次的关系、表5-2。
4.映像规则，理解概念。查找方式，主存地址的划分。
答：映像规则
查找方式，主存地址的划分三种情况如下：
5.被写的块在Cache中，不在Cache中的写策略。
答： 两种写策略：
如果被写的块在Cache中（写失效），有两种方案，决定是否讲相应的快调入Cache。
按写分配法：先把所写单元所在的块调入Cache中，然后再进行更新。这与读失效类似。这种方法也称写时取。
不按写分配法：直接写入下一级存储器而不将相应的块调入Cache。这种方法也称为绕写。
当待写的块已经在Cache中了，有两种写策略来维持一致性。。
写直达法：执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入下一级存储器。
写回法：执行“写”操作时，只写入Cache。仅当Cache中相应的块被替换时，才写回主存。 (设置“污染位”)
6.Cache的性能分析，平均访存时间、CPU时间。
答：如下：
7.改进Cache性能三个方面、分别有哪些措施，能够区分哪些措施是干什么的。
8.虚存的概念、原理。
答：虚存的基本概念和原理：虚存是”主存-辅存“层次进一步发展的结果。它由价格较贵、速度较快、容量较小的主存储器M1和一个价格低廉、速度较慢、容量很大的辅助存储器M2组成，在系统软件和辅助硬件的管理下，这一层构成了逻辑上单一的、可直接访问的大容量主存储器
9.主存的存储器的组织技术。
答：a.提高存储器宽度、b.多体交叉、c.独立存储体。
10.快表（TLB）的概念。
答：快表：TLB是一个专用的高速缓冲器，用于存放近期经常使用的页表项。
TLB中的内容是页表部分内容的一个副本；
TLB也是利用了局部性原理；
TLB一般比Cache的标识存储器更小、更快
六、输入输出系统
重点内容：
1.IO设备与存储器的连接--总线
2.IO性能的评估标准。
3.IO通道的概念。
相关知识：
1.IO设备与存储器的连接--总线
答：总线是各子系统之间共享的通信链路，优点： 低成本； 多样性。 缺点： 它必须被独占使用，从而形成了设备信息交换的瓶颈，限制了系统总的I/O吞吐率。
按设备定时方式分类：
同步总线；同步总线上所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。
异步总线：设备之间没有统一的系统时钟，设备自己内部定时。设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。但在传输时，异步总线需要额外的同步开销。
只要计算机和I/O设备的设计都满足相应的标准，那么I/O设备和计算机可以任意连接。 I/O总线标准就是定义设备连接的文件。
2.IO性能的评估标准。
答：主要包括：I/O系统的连接特性、I/O系统的容量、响应时间和吞吐率。
I/O系统的连接特性：哪些I/O设备可以和计算机设备相连
I/O系统的容量：I/O系统可以容纳多少I/O设备。
相应时间和吞吐率：I/O系统的吞吐率也称为I/O带宽，而响应时间称为响应延迟。
3.IO通道的概念。
答：IO通道：IO（Input/Output）通道是计算机系统中用于连接外部设备和计算机的通道或接口。它允许数据在计算机和外部设备（例如磁盘驱动器、打印机、键盘、鼠标、网络接口等）之间进行输入和输出操作。
通道：为进一步降低CPU处理I/O操作的负担，可以设置专门的处理机，接管所有的I/O操作，这就是通道。
通道的三种类型：
字节多路通道：简单的共享通道，为多台低速或中速的外围设备服务。采用分时方式工作。
选择通道：为高速外围设备服务。在传输数据期间，只能为一台高速外围设备服务，在不同的时间内可以选择不同的设备。
数组多路通道：为高速设备服务。各台高速设备重迭操作。
重点内容汇总：
第一章：
1.冯诺伊曼计算机的组成。P2
2.存储程序计算机的特点。P3
3.体系结构的定义、三个组成。P4,P5
4.系列机和兼容机的概念。P9
5.并行性的概念、提高并行性的途径。P21,P22
6.大概率事件优先原则、Amdahl定律、程序的局部性原理。P34,35,36
7.CPU的性能公式，计算。P36
第二章：
1.寻址方式的概念。P45
2.表2-4中典型的操作数寻址方式。P45
3.CISC和RISC指令集，设计RISC的基本原则、RISC的基本特点。P54
4.MIPS指令系统。P57
第三章：
1.流水线技术的概念、流水线技术的特点。P64
2.流水线的分类。P66
3.MIPS流水线取指令从哪？当前指令的地址由PC，NPC是下一条。
4.流水线的性能分析，各种指标的计算。P76
5.不等时间的流水线吞吐率由最慢的一段确定，解决方法有：瓶颈段细分、瓶颈段重复设置方法。P77
6.流水线中的相关。P82
7.定向技术的思想。P86
8.数据相关的分类。P88
9.对数据相关的采用编译器调度方法如何实现的。（讲过例题）P91
10.流水线的控制相关，调度分支延迟的三种方法。P99
第四章：
1.指令级并行、循环展开。P113
2.相关性，和前面类似。P117
3.指令的动态调度。动态调度的一个概念。P121
4.静态调度如何调度的？通过编译器，软件调度。
5.动态调度方法：记分牌和Tomasulo算法。P122,P130
6.控制相关的动态解决技术：分支预测缓冲、分支目标缓冲。P141,P143
第五章：
1.存储器的评估指标。（容量、速度、每位价格）P161
2.命中率，平均访问时间（这个时间注意一下（几个时间的区分），看给的哪个时间？）。P163
3.两种存储层次的关系、表5-2。P164
4.映像规则，理解概念。查找方式，主存地址的划分。P165
5.被写的块在Cache中，不在Cache中的写策略。P170
6.Cache的性能分析，平均访存时间、CPU时间。P173,P174
7.改进Cache性能三个方面、分别有哪些措施，能够区分哪些措施是干什么的。P177
8.虚存的概念、原理。P211
9.主存的存储器的组织技术。P204
10.快表（TLB）的概念。P214
第六章：
1.IO设备与存储器的连接--总线P261
2.IO性能的评估标准。P241
3.IO通道的概念。P265