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北京航空航天大學
2017 年招收博士研究生入學考博大綱
計算機系統結構考博大綱（50 分）
一、概述
“計算機系統結構”是計算機及相關學科的專業技術基礎課程。它主要研究軟件、硬
件功能分配和對軟件、硬件界面的確定，即確定哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件實現。
計算機系統結構是從外部來研究計算機系統。它是使用者所看到的物理計算機的抽象，編寫
出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機的屬性。
考博大綱給出了考生需掌握的計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析
方法。涉及計算機系統結構的基本概念、指令系統、存儲系統、輸入輸出系統、標量處理機、
并行處理機和多處理機等內容。這些內容涵蓋了需要考生掌握的相關概念和原理、基本結構
和基本分析方法，包括在具有一定的軟硬件知識基礎上能綜合認識計算機系統的軟硬件功能
分配與各種不同結構類型機器的特性和性能評價方法，以及運用系統的觀點定量分析問題的
方法。
二、具體內容
1、計算機系統結構的基本概念
基本概念：
多級層次結構、虛擬機器、語言的解釋與翻譯、計算機系統結構、經典計算機系統結構
概念的實質、Flynn 分類法、指令流、數據流、系統的加速比、Amdahl 定律、程序的局部性
原理、程序的時間局部性、程序的空間局部性、CPU 性能公式、CPI、CPU 時間、核心測試程
序、基準測試程序套件、輸入/輸出方式、系列機、軟件兼容、向上(下)兼容、向前(后)兼
容、模擬、仿真、并行性、同時性、并發性、指令內部并行、指令級并行、線程級并行、任
務級或過程級并行、作業或程序級并行、時間重疊、資源重復、資源共享、同構型（對稱型）
多處理機、異構型（非對稱型）多處理機、分布處理系統、耦合度、松散耦合、緊密耦合
主要內容：
1) 計算機系統的多級層次結構；
2) 計算機系統結構、組成與實現；
3) 計算機系統的軟硬取舍、性能評測及定量設計原理；
4) 軟件、應用、器件對系統結構的影響；
5) 系統結構中的并行性發展和計算機系統的分類。
重點：
計算機系統結構、計算機組成、計算機實現三者的定義及所包含的內容；有關透明性問
題的判斷；軟件和硬件的功能分配原則；軟件可移植的途徑、方法、適用場合、存在問題和
對策；有關并行性的概念；系統結構中開發并行性的途徑和類型。
2、計算機指令集結構設計
基本概念：
堆棧型機器、累加器型機器、通用寄存器型機器、三種類型指令集結構、通用寄存器型指令
集結構的三種類型、CISC、RISC、指令集結構的完整性、指令集結構的規整性、對稱性、均
勻性、操作數類型、操作數表示、操作數的類型、變長編碼格式、定長編碼格式、混合型編
碼格式
主要內容：
1) 指令集結構的分類
2) 尋址方式
3) 指令集結構的功能設計
4) 操作數的類型和大小
5) 指令格式的設計
重點：
尋址方式中的再定位技術；信息在存儲器中按整數邊界存儲的概念；操作碼和指令字格
式的優化；CISC 指令系統的改進途徑綜述；RISC 概念及所采用的基本技術。掌握三種編碼方
式，了解三種尋址方式的缺點。同時要了解 CISC 的問題和 RISC 的優點，RISC 的一般設計原
則及指令系統的發展方向。
3、中斷、總線與 I/O 系統
基本概念：
中斷、中斷響應、中斷的分類、中斷的分級、中斷的嵌套原則、中斷的軟硬件功能分配、系
統可靠性、系統的失效率、系統可用性、RAID、總線、總線的分類、總線控制方式、同步總
線、異步總線、通道處理機、字節多路通道、數組多路通道、選擇通道、虛擬 DMA、異步 I
/O、MTTF
主要內容：
1) 中斷系統；
2) 總線系統；
3) I/O 系統性能與 CPU 性能
4) I/O 系統的可靠性和可用性
5) 廉價磁盤冗余陣列 RAID
6) 通道處理機
重點：
相關的基本概念，中斷系統的軟硬件分配，通道處理機的流量設計。按中斷處理優先次
序的要求，設置中斷級屏蔽位的狀態，正確畫出中斷處理過程的示意圖；通道的流量設計；
畫出字節多路通道響應和處理完各外部設備請求的時空圖。
4、存儲體系
基本概念：
存儲器的三個主要指標、多級存儲層次、命中率 H、不命中率或失效率 F、失效開銷、平均
訪問時間 TA、“Cache－主存”層次、“主存－輔存”層次、全相聯映像、直接映像、組相
聯映像、n 路組相聯、相聯度、隨機法、先進先出法(FIFO)、最近最少使用法(LRU)、寫回法、
分離 Cache、混合 Cache、虛擬 Cache、物理 Cache、進程標識符字段（PID）、同義或別名、
虛擬索引＋物理標識方法、多字寬存儲器結構、多體交叉存儲器、獨立存儲體、體沖突、TL
B
主要內容：
1) 存儲體系的概念；
2) 虛擬存儲器；
3) 高速緩沖存儲器；
4) Cache—主存—輔存三級層次。
5) 并行主存系統
重點：
段頁式和頁式虛擬存儲器原理；頁式虛擬存儲器的地址映象；LRU、FIFO、OPT 替換算
法；用 LRU 替換算法對頁地址流的堆棧處理模擬及性能分析；Cache 存儲器的性能分析。
頁式和段式虛擬存儲器中，虛、實地址的計算；各種頁面替換算法和命中率的計算；Cach
e 組相聯映象和快替換算法的模擬；并行存儲頻寬的計算。
5、流水線與指令并行
基本概念：
一次重疊執行方式、二次重疊執行方式、哈佛結構、先行控制技術、流水線技術、時(間)空(間)
圖、流水線的深度、通過時間、單功能流水線、多功能流水線、靜態流水線、、動態流水線、
線性流水線、非線性流水線、順序流水線、亂序流水線、吞吐率、最大吞吐率、流水線的瓶
頸、消除瓶頸段的兩種方法、加速比、效率、排空時間、流水寄存器建立時間、流水寄存器
傳輸延遲、相關、數據相關、名相關、反相關、輸出相關、換名技術、寄存器換名、控制相
關、流水線沖突、結構沖突、數據沖突、流水線氣泡、定向（前饋）技術、寫后讀沖突（R
AW）、寫后寫沖突（WAW）、讀后寫沖突（WAR）、流水線調度或指令調度、凍結或排空
流水線、分支延遲、分支預測方法、 “延遲分支”方法、指令級并行、靜態調度技術、動態
調度方法、不精確異常、精確異常、Tomasulo 算法的核心思想、保留站、CDB、動態分支預
測技術、分支歷史表 BHT、BTB、前瞻執行、ROB、多流出技術、超標量處理機、超長指令字
VLIW 技術、超流水線處理機、循環展開技術、細粒度多線程技術、粗粒度多線程技術、同
時多線程技術
主要內容：
1) 重疊方式；
2) 流水方式；
3) 流水的數據相關處理；
4) Tomasulo 算法與流水線的動態調度。
5) 分支預測與前瞻執行；
6) 精確中斷；
7) 超標量、超流水、以及 VLIW 處理器的基本結構；
8) 多線程技術及同時多線程（SMT）處理器的結構特點。
重點：
重疊中的各種相關關系的處理；流水線的時空圖和性能分析；流水的局部性相關處理，
全局性相關的處理和對中斷的處理；單功能非線性流水線的調度；向量處理方式。了解指
令間微操作的時間重疊關系要求，算出全部指令完成所需要的時間；在多功能流水線上，
如何操作其流入的順序，畫出此時的流水線時空圖，并計算出吞吐率、效率和加速比；為
消除流水線速度性能瓶頸所采取的措施及相應的流水線時空圖的畫法；掌握流水線亂序執
行的基本原理。
6、向量流水處理與向量機
基本概念：
標量流水處理機、向量流水處理機、水平(橫向)處理方式、垂直(縱向)處理方式、存儲器－存
儲器型操作的運算流水線、分組(縱橫)處理方式、寄存器－寄存器型操作的運算流水線、鏈
接技術、鏈接流水線的流水時間、向量循環或分段開采技術
主要內容：
1) 向量機的基本概念
2) 向量的處理和向量的流水處理
3) 向量流水處理機的結構
4) 提高向量流水處理性能的技術
重點：
向量的流水處理和鏈接特性，指令令特性分析和計算。在充分理解流水線機制的條件
下，了解向量的三種處理方式及那些方式適合于向量處理；在給出若干條指令后，能夠分
析出來這些指令中哪些可以并行，哪些不能并行但能鏈接，哪些只能串行。能夠計算出這
些指令全部執行完的周期數。
7、多處理機與行并處理
基本概念：
PVP、SMP、MPP、機群、單一系統映像、集中式共享存儲器結構、分布式存儲器結構、通
信延遲、跨越時間、傳輸時間、分布式共享存儲器或可縮放共享存儲器體系結構、共享存儲
器機器、消息傳遞機器、私有數據、共享數據的遷移、共享數據的復制、cache 一致性、監
聽法、目錄法、寫作廢協議、寫更新協議、存儲一致性、MPI、PVM、HPF、OpenMP、高可
用性機群、負載均衡機群、高性能計算機群、PCAM 設計方法
主要內容：
1) 多處理機的概念、類型和硬件結構
2) 緊耦合多處理機多 Cache 的一致性問題
3) 存儲一致性及相關模型
4) 多處理機的并行性和性能
5) PCAM 設計方法
重點：
多處理機的結構特點和分類；并行處理帶來的問題；編程模型問題；Cache 一致性問題；存
儲一致性問題及模型；通信開銷；開發程序的并行性的基本方法；掌握并行編程的基本流程。
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