高级计算机体系结构总结

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1、1.摩尔定律内容及其对现代计算机的影响？答：摩尔定律是由英特尔名誉董事长戈登摩尔经过长期观察指出的。主要内容是集成电路芯片上所集成的晶体管数将每隔18个月翻一番，微处理器的性能将提高一倍，价格下降一半。影响：（1）归纳了信息技术进步的速度，比如半导体芯片的发展；（2）带动了芯片产业自热化得竞争，是公司发展的驱动力；（3）指导着高科技产业中设计者们的工作，让生产找到了提高产品性能的途径。摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时就会努力去实现它。2.Pipling指令集流水线段各是什么？答：一条指令流水线由

2、五段组成：（1）取指令（IF）：发送程序计数器PC到内存，取出当前指令，更新PC；（2）指令译码（ID）：判断指令类型，从寄存器取操作数（3）计算有效地址或者执行（EX）：计算内存操作数的有效地址，分支跳转的有效地址，执行（4）访存取数（MEM）：用有效地址去访存取数或存数，用分支跳转有效地址更新PC（5）写回（结果写回寄存器WB）3.什么原因导致流水线停止，怎样解决？答：要使流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流，但由于流水过程中发生以下三种相关冲突而停止：结构相关，数据相关，控制相关。结构相关：当数据和指令放

3、在同一个存储器且只有一个访问口时，便发生两条指令争用存储器资源的相关冲突，解决办法：一是指令停顿一排再启动，插入一个气泡，二是增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的，解决办法：一是插入气泡，二是流水CPU的运算器中特意设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用；三是推迟后继指令的执行，直到前面的指令的结果产生为止，这样大大影响流水线的吞吐率。控制相关：是由转移指令引起的，当执行转移指令时，

4、依据转移条件产生的结果，可能为顺序取下一条指令，也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流，为减少转移指令对流水线性能的影响，可采用延迟转移法和转移预测法。4.5段流水线，可把CPU性能提高5倍，实际却做不到，什么原因，解决方法？答：不能提高倍数的原因可能是由于：（1）流水线各段的所需时间不相等，受到慢的流水线段影响，（2）流水线的充满和排空需要时间（3）输入的任务不是连续的，程序本身存在相关的冲突，有气泡。解决办法：当流水线中各段的执行时间不完全相等时，流水线中就存在有“瓶颈”。解决流水线“瓶颈”问题的方法主要有两种

5、。一种方法是将流水线的“瓶颈”部分再细分。这样，每一个功能段及子功能段的延迟时间均为t。如果由于结构等方面的原因，瓶颈功能段不能再细分时，可以采用，通过重复设置瓶颈功能段，让多个瓶颈功能段并行工作。5．指令集的用途？RISC和CISC指令集不一样，计算机分为精简指令系统和复杂指令系统计算机，这导致的优缺点？答：用途：CPU依靠指令来自计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令

6、集和精简指令集两部分。CISC优点：CICS指令系统的功能比较强大，能取代一些用软件实现的功能。缺点：指令系统比较庞大，指令数目200-300条，运行速度慢，带来了体系结构复杂，成本高，使得计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不容易调试维护，而且由于采用了大量使用频率较低的复杂指令而造成硬件资源浪费。寻址方式多，指令格式多，指令字长格式不固定，可访存储器不受限制，各指令使用频率相差大，大多数采用微程序控制器，功能不均衡，不易于用流水线提高性能。RISC优点：指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，只有取/存数指令访问存储

7、器，其余的指令的操作都在寄存器间进行。大部分指令在一个机器周期内完成。继承了CISC指令系统的成功技术，并在克服了CISC机器缺点的基础上发展起来的，使得处理器的结构更加合理，更简单，具有更高的性能和执行效率，并降低处理器的开发成本。一般高级语言编程，特别重视编译优化工作，并利用指令流水线调度以减少程序执行时间。缺点：CPU中通用寄存器的数量相当多，以硬布线控制为主，不用或者少用微指令控制，强调对指令流水线的优化，RISC使得它的编译程序变得复杂，软件系统开发时间比CISC机器长。6．典型指令集结构MIPS和ARM指令集的特点。

8、ARM（1）指令长度固定32位，（2）寻址方式简单，执行效率高，（3）大量使用寄存器，执行速度快（4）大多数数据操作在寄存器中完成，支持大端，小端，每条指令前4段均为NZCV。MIPS有三种指令格式（1）R类型，从寄存器堆中读取两个源操作数，结果返回给寄存器堆（