北京航空航天大学计算机系统结构考博大纲

北京航空航天大学
2017 年招收博士研究生入学考博大纲
计算机系统结构考博大纲（50 分）
一、概述
“计算机系统结构”是计算机及相关学科的专业技术基础课程。它主要研究软件、硬
件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。
计算机系统结构是从外部来研究计算机系统。它是使用者所看到的物理计算机的抽象，编写
出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。
考博大纲给出了考生需掌握的计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析
方法。涉及计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、输入输出系统、标量处理机、
并行处理机和多处理机等内容。这些内容涵盖了需要考生掌握的相关概念和原理、基本结构
和基本分析方法，包括在具有一定的软硬件知识基础上能综合认识计算机系统的软硬件功能
分配与各种不同结构类型机器的特性和性能评价方法，以及运用系统的观点定量分析问题的
方法。
二、具体内容
1、计算机系统结构的基本概念
基本概念：
多级层次结构、虚拟机器、语言的解释与翻译、计算机系统结构、经典计算机系统结构
概念的实质、Flynn 分类法、指令流、数据流、系统的加速比、Amdahl 定律、程序的局部性
原理、程序的时间局部性、程序的空间局部性、CPU 性能公式、CPI、CPU 时间、核心测试程
序、基准测试程序套件、输入/输出方式、系列机、软件兼容、向上(下)兼容、向前(后)兼
容、模拟、仿真、并行性、同时性、并发性、指令内部并行、指令级并行、线程级并行、任
务级或过程级并行、作业或程序级并行、时间重叠、资源重复、资源共享、同构型（对称型）
多处理机、异构型（非对称型）多处理机、分布处理系统、耦合度、松散耦合、紧密耦合
主要内容：
1) 计算机系统的多级层次结构；
2) 计算机系统结构、组成与实现；
3) 计算机系统的软硬取舍、性能评测及定量设计原理；
4) 软件、应用、器件对系统结构的影响；
5) 系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类。
重点：
计算机系统结构、计算机组成、计算机实现三者的定义及所包含的内容；有关透明性问
题的判断；软件和硬件的功能分配原则；软件可移植的途径、方法、适用场合、存在问题和
对策；有关并行性的概念；系统结构中开发并行性的途径和类型。
2、计算机指令集结构设计
基本概念：
堆栈型机器、累加器型机器、通用寄存器型机器、三种类型指令集结构、通用寄存器型指令
集结构的三种类型、CISC、RISC、指令集结构的完整性、指令集结构的规整性、对称性、均
匀性、操作数类型、操作数表示、操作数的类型、变长编码格式、定长编码格式、混合型编
码格式
主要内容：
1) 指令集结构的分类
2) 寻址方式
3) 指令集结构的功能设计
4) 操作数的类型和大小
5) 指令格式的设计
重点：
寻址方式中的再定位技术；信息在存储器中按整数边界存储的概念；操作码和指令字格
式的优化；CISC 指令系统的改进途径综述；RISC 概念及所采用的基本技术。掌握三种编码方
式，了解三种寻址方式的缺点。同时要了解 CISC 的问题和 RISC 的优点，RISC 的一般设计原
则及指令系统的发展方向。
3、中断、总线与 I/O 系统
基本概念：
中断、中断响应、中断的分类、中断的分级、中断的嵌套原则、中断的软硬件功能分配、系
统可靠性、系统的失效率、系统可用性、RAID、总线、总线的分类、总线控制方式、同步总
线、异步总线、通道处理机、字节多路通道、数组多路通道、选择通道、虚拟 DMA、异步 I
/O、MTTF
主要内容：
1) 中断系统；
2) 总线系统；
3) I/O 系统性能与 CPU 性能
4) I/O 系统的可靠性和可用性
5) 廉价磁盘冗余阵列 RAID
6) 通道处理机
重点：
相关的基本概念，中断系统的软硬件分配，通道处理机的流量设计。按中断处理优先次
序的要求，设置中断级屏蔽位的状态，正确画出中断处理过程的示意图；通道的流量设计；
画出字节多路通道响应和处理完各外部设备请求的时空图。
4、存储体系
基本概念：
存储器的三个主要指标、多级存储层次、命中率 H、不命中率或失效率 F、失效开销、平均
访问时间 TA、“Cache－主存”层次、“主存－辅存”层次、全相联映像、直接映像、组相
联映像、n 路组相联、相联度、随机法、先进先出法(FIFO)、最近最少使用法(LRU)、写回法、
分离 Cache、混合 Cache、虚拟 Cache、物理 Cache、进程标识符字段（PID）、同义或别名、
虚拟索引＋物理标识方法、多字宽存储器结构、多体交叉存储器、独立存储体、体冲突、TL
B
主要内容：
1) 存储体系的概念；
2) 虚拟存储器；
3) 高速缓冲存储器；
4) Cache—主存—辅存三级层次。
5) 并行主存系统
重点：
段页式和页式虚拟存储器原理；页式虚拟存储器的地址映象；LRU、FIFO、OPT 替换算
法；用 LRU 替换算法对页地址流的堆栈处理模拟及性能分析；Cache 存储器的性能分析。
页式和段式虚拟存储器中，虚、实地址的计算；各种页面替换算法和命中率的计算；Cach
e 组相联映象和快替换算法的模拟；并行存储频宽的计算。
5、流水线与指令并行
基本概念：
一次重叠执行方式、二次重叠执行方式、哈佛结构、先行控制技术、流水线技术、时(间)空(间)
图、流水线的深度、通过时间、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、、动态流水线、
线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、吞吐率、最大吞吐率、流水线的瓶
颈、消除瓶颈段的两种方法、加速比、效率、排空时间、流水寄存器建立时间、流水寄存器
传输延迟、相关、数据相关、名相关、反相关、输出相关、换名技术、寄存器换名、控制相
关、流水线冲突、结构冲突、数据冲突、流水线气泡、定向（前馈）技术、写后读冲突（R
AW）、写后写冲突（WAW）、读后写冲突（WAR）、流水线调度或指令调度、冻结或排空
流水线、分支延迟、分支预测方法、 “延迟分支”方法、指令级并行、静态调度技术、动态
调度方法、不精确异常、精确异常、Tomasulo 算法的核心思想、保留站、CDB、动态分支预
测技术、分支历史表 BHT、BTB、前瞻执行、ROB、多流出技术、超标量处理机、超长指令字
VLIW 技术、超流水线处理机、循环展开技术、细粒度多线程技术、粗粒度多线程技术、同
时多线程技术
主要内容：
1) 重叠方式；
2) 流水方式；
3) 流水的数据相关处理；
4) Tomasulo 算法与流水线的动态调度。
5) 分支预测与前瞻执行；
6) 精确中断；
7) 超标量、超流水、以及 VLIW 处理器的基本结构；
8) 多线程技术及同时多线程（SMT）处理器的结构特点。
重点：
重叠中的各种相关关系的处理；流水线的时空图和性能分析；流水的局部性相关处理，
全局性相关的处理和对中断的处理；单功能非线性流水线的调度；向量处理方式。了解指
令间微操作的时间重叠关系要求，算出全部指令完成所需要的时间；在多功能流水线上，
如何操作其流入的顺序，画出此时的流水线时空图，并计算出吞吐率、效率和加速比；为
消除流水线速度性能瓶颈所采取的措施及相应的流水线时空图的画法；掌握流水线乱序执
行的基本原理。
6、向量流水处理与向量机
基本概念：
标量流水处理机、向量流水处理机、水平(横向)处理方式、垂直(纵向)处理方式、存储器－存
储器型操作的运算流水线、分组(纵横)处理方式、寄存器－寄存器型操作的运算流水线、链
接技术、链接流水线的流水时间、向量循环或分段开采技术
主要内容：
1) 向量机的基本概念
2) 向量的处理和向量的流水处理
3) 向量流水处理机的结构
4) 提高向量流水处理性能的技术
重点：
向量的流水处理和链接特性，指令令特性分析和计算。在充分理解流水线机制的条件
下，了解向量的三种处理方式及那些方式适合于向量处理；在给出若干条指令后，能够分
析出来这些指令中哪些可以并行，哪些不能并行但能链接，哪些只能串行。能够计算出这
些指令全部执行完的周期数。
7、多处理机与行并处理
基本概念：
PVP、SMP、MPP、机群、单一系统映像、集中式共享存储器结构、分布式存储器结构、通
信延迟、跨越时间、传输时间、分布式共享存储器或可缩放共享存储器体系结构、共享存储
器机器、消息传递机器、私有数据、共享数据的迁移、共享数据的复制、cache 一致性、监
听法、目录法、写作废协议、写更新协议、存储一致性、MPI、PVM、HPF、OpenMP、高可
用性机群、负载均衡机群、高性能计算机群、PCAM 设计方法
主要内容：
1) 多处理机的概念、类型和硬件结构
2) 紧耦合多处理机多 Cache 的一致性问题
3) 存储一致性及相关模型
4) 多处理机的并行性和性能
5) PCAM 设计方法
重点：
多处理机的结构特点和分类；并行处理带来的问题；编程模型问题；Cache 一致性问题；存
储一致性问题及模型；通信开销；开发程序的并行性的基本方法；掌握并行编程的基本流程。