計算機體系結(jié)構復習

1、一計算機系統(tǒng)結(jié)構的基礎知識計算機系統(tǒng)結(jié)構含義，分類（FLYNN）系統(tǒng)結(jié)構：從程序設計者的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構和功能特性。計算機系統(tǒng)結(jié)構：指機器語言程序的設計者或是編譯程序設計者所看到的計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構與功能特性。 弗林(FLYNN)分類法：單指令流、單數(shù)據(jù)流( SISD )結(jié)構 單指令流、多數(shù)據(jù)流(SIMD )結(jié)構 多指令流、單數(shù)據(jù)流( MISD )結(jié)構 多指令流、多數(shù)據(jù)流( MIMD )結(jié)構 計算機系統(tǒng)設計的原則（三條），阿姆達爾（Amdahl）定律(一) 加速那些使用頻率高的部件提高整個計算機性能 (二) Amdahl定律 (三)程序訪問局部性原理 Amdahl定律可

2、表示為：Sp = Te / T0T0= Te(1 fe + fe /re)Sp：加速比；Te：采用改進措施前執(zhí)行某任務系統(tǒng)所用的時間；T0：采用改進措施后所需的時間；fe：可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例，總是小于1；re:：性能提高的倍數(shù)（T部件改進前/ T部件改進后），總是大于1。計算機性能指標參數(shù) （CPI、MIPS、吞吐率，加速比）MIPS=馮諾依曼機器特點，計算機系統(tǒng)結(jié)構發(fā)展1、以運算器為中心，除了完成運算以外，機器內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器，控制器集中控制。2、存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構。 3、程序存儲，指令和數(shù)據(jù)都存放在存儲器中 。 4、指令在存儲器中按其執(zhí)

3、行順序存放，由一個順序控制器指定即將被執(zhí)行的指令地址。5、指令由操作碼和地址碼組成。 6、數(shù)據(jù)以二進制表示。 軟件對系統(tǒng)結(jié)構的影響二并行主存與存儲體系存儲系統(tǒng)三個特性（局部性、一致性、包含性）包含性：在容量大的存儲器中，一定能找到上層存儲信息的副本。 一致性：副本修改，以保持同一信息的一致性。存儲層次結(jié)構概念和性能參數(shù)（T，S，C）通用寄存器M1，高速緩沖存儲器M2，主存儲器M3，輔助存儲器M4，脫機大容量存儲器M5 存儲容量S，存儲器速度T，存儲器價格CCACHE引入目的、特點（和虛擬存儲器比）、需解決的問題目的：提高CPU對存儲器的訪問速度。虛擬存儲器與高速緩沖存儲器區(qū)別CACHE-主存地

4、址映象變換概念？幾種主要方式（全相聯(lián)、直接、組相聯(lián)）特點計算地址映像是指某一數(shù)據(jù)在主存中的地址與在緩存中的地址兩者之間的關系。全相聯(lián)的地址映像規(guī)則：1) 主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。2) 主存的某一數(shù)據(jù)塊可以裝入緩存的任意一塊的空間中。 優(yōu)點：命中率較高，Cache的存儲空間利用率高；缺點：線路復雜，成本高，速度低。直接相聯(lián)的地址映像規(guī)則： 1. 主存與緩存分成同樣大小的塊；2. 主存容量應是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的塊數(shù)與緩存的總塊數(shù)相等；3. 主存中某區(qū)的一塊存入緩存時只能存入緩存中塊號相同的位置。優(yōu)點：簡單；缺點：命中率低。組相聯(lián)的映像規(guī)則：1.

5、主存與緩存分成相同大小的塊;2. 主存與緩存分成相同大小的組;3. 主存容量是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩存的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與緩存的組數(shù)相同。4. 組間直接相聯(lián)；組內(nèi)全相聯(lián)。 優(yōu)點：速度快，命中率高；幾種替換算法分類；簡述LRU替換算法隨機法：(Random, RAND法) 先進先出法(First-In First-Out, FIFO法) 近期最少使用法(Least Recently Used, LRU法)最久沒有使用法（Least Frequently Used, LFU法）LRU法是依據(jù)各塊使用的情況，總是選擇那個最近最少使用的塊被替換。這種方法比較好的反映了程序局部性

6、規(guī)律。因為最近最少使用的塊，很可能在將來的近期也很少使用，所以LRU法的命中率比較高。缺點：實現(xiàn)起來比較困難，它不但要記錄每塊使用次數(shù)的多少，而且要反映出近期使用的次數(shù)。CACHE寫操作的更新策略，CACHE的性能（命中率，加速比，平均訪問時間）（1）全寫法，亦稱寫直達法(WT法Write through)：在對Cache進行寫操作的同時，也對主存該內(nèi)容進行寫入 。（2）寫回法(WB法Write back)：在CPU執(zhí)行寫操作時，只寫入Cache，不寫入主存；需要替換時，把修改過的塊寫回主存。（一）Cache的容量對命中率的影響容量越大則命中率越高。當容量由很小開始增加時命中率增加的比較明顯當

7、容量達到一定程度，容量增加命中率改善的并不大。 （二）Cache塊的大小對命中率的影響當塊的容量加大命中率明顯的增加，但增加到一定值后反而出現(xiàn)塊增加命中率下降的現(xiàn)象。這是因為塊容量大到一定程度，進入塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，已不符合程序局部性規(guī)律了；塊越大在一定量的Cache中包含的塊數(shù)就越小，則命中率就降低了。 （三）. 地址映像方式對命中率的影響 （1）直接相聯(lián)法命中率比較低。 （2）全相聯(lián)方式命中率比較高，但難以實現(xiàn)。 （3）組相聯(lián)方式中，主要是分組的數(shù)目對命中率的影響比較明顯。由于主存與Cache的組之間是直接相聯(lián)方式，當組數(shù)分的越多，則命中率就要下降，當組數(shù)比較少時這種影響不明顯，當組數(shù)大到一定程

8、度，則影響就很大。（3） Cache系統(tǒng)的加速比：Sp=Tc：Cache的訪問周期；Tm：主存儲器的訪問周期；Hc：Cache的命中率存儲保護原因：（1）為了防止由于一個用戶程序出錯而破壞主存中其他用戶的程序或系統(tǒng)軟件；（2）防止一個用戶程序不合法地訪問不是分配給它的主存區(qū)域，即使不會引起破壞。 (一)加界保護方式 (二)鍵保護方式：鎖：將主存的每一頁都設置一個存儲鍵，給予一個鍵號，此鍵號存放在快表的表目中，相當于一把“鎖”。所有頁的存儲鍵在主存相應的快速寄存器內(nèi)，每個用戶的各實頁的存儲鍵都相同。 鑰匙：訪問鍵。由操作系統(tǒng)給定，存在程序狀態(tài)字中。 過程：每次訪問主存，首先進行鍵號比較，如果鍵號

9、相等才允許訪問。如同一把鑰匙開一把鎖。存放鍵與程序鍵鍵號的分配，由操作系統(tǒng)完成。 (3) 環(huán)保護方式訪問方式的保護： 對內(nèi)存的信息可以有三種訪問操作，即讀、寫、執(zhí)行訪問方式 (1) 可讀，可寫，可以執(zhí)行 (2) 可讀，可執(zhí)行，不可寫(3) 只可讀，不可寫，不可執(zhí)行(4) 只可讀，可寫，不可執(zhí)行，例如數(shù)據(jù)(5) 只能執(zhí)行不可讀寫，例如專用程序 提高存儲器頻帶寬度方法 多個存儲器并行工作，并用并行訪問和交叉訪問等方法三數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)類型：指一組數(shù)據(jù)值的集合，還定義了可作用于這個集合上的操作集。分類：基本數(shù)據(jù)類型，結(jié)構數(shù)據(jù)類型，抽象數(shù)據(jù)類型和訪問指針。數(shù)據(jù)表示：指

10、在計算機中能由硬件直接辯認,指令系統(tǒng)可以直接調(diào) 用的數(shù)據(jù)類型。自定義數(shù)據(jù)表示定義、分類及優(yōu),缺點自定義數(shù)據(jù)表示：由數(shù)據(jù)本身來表明數(shù)據(jù)類型，使計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)具有自定義能力。分類：（1）帶標志符的數(shù)據(jù)表示（2）數(shù)據(jù)描述符優(yōu)點：（1）簡化了指令系統(tǒng)。 （2）容易檢出程序編制中的錯誤。 （3）簡化了編譯程序。 （4）支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 。 （5）簡化了程序設計 。 （6）便于軟件測試，支持應用軟件開發(fā)。缺點：（1）數(shù)據(jù)字長增加。 （2）降低了指令的微觀執(zhí)行速度。 （3）與其他計算機的兼容性差，硬件復雜。哈夫曼概念及在計算機中應用，操作碼編碼法指令系統(tǒng)編碼方法，指令系統(tǒng)設計功能要求（一）指令系統(tǒng)中指令編碼方

11、法：（1）正交法 指令中的每個分段（包括操作碼、操作數(shù)地址等） 相互獨立，操作數(shù)地址的編碼同操作碼無關，反之亦然。（2）整體法 指令中各個分段在譯碼時相互有關，操作碼同操作數(shù)地址的分界線并不清楚。（3）混合法 這種方法把上兩種方法的優(yōu)點結(jié)合起來。指令系統(tǒng)設計和優(yōu)化指令格式優(yōu)化的目的： 如何用最短的位數(shù)表示指令的操作信息和地址信息，用最短的時間處理頻度高的指令，使二者之間有最佳配合以減少指令字中冗余信息以及用最少信息位來表示所需的操作信息和地址信息。兩種指令系統(tǒng)風格，特點（RISC、CISC）(一)復雜指令集計算機（CISC）1、指令的控制執(zhí)行是采用微程序控制技術，有專用的寄存器。2、控制器十分

12、復雜，占用了大量CPU芯片面積，有些復雜指令用的很少，難以用優(yōu)化編譯生成高效目標代碼。3、處理器的執(zhí)行效率不高。4、指令系統(tǒng)與軟件之間語義差別越來越大，軟件設計任務十分繁重，整個設計風格不是十分經(jīng)濟有效的。缺點：指令系統(tǒng)龐大、硬件復雜、執(zhí)行速度低、編譯程序復雜、長、部分指令使用效率低。(二) 精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）基本思想：通過減少指令總數(shù)和簡化指令的功能來降低硬件設計的復雜程度，提高指令執(zhí)行速度，使指令簡單，有效可行。1、指令格式簡單化、規(guī)整化（寄存器-寄存器型）2、基本是單周期操作（指令功能和執(zhí)行周期權衡選擇）3、分開的存取指令數(shù)據(jù)，引入多級Cache4、面向寄存器堆的結(jié)構5、充分

13、提高流水線效率（用各種技術減少相關阻塞）6、采用硬邏輯控制方式（少數(shù)采用微程序設計）7、采用優(yōu)化編譯技術，很好地支持高級語言簡述RISC的設計思想起源和主要技術（一）RISC設計思想的起源20%-80%定律系統(tǒng)設計中硬件和軟件之間折衷VLSI工藝技術發(fā)展（一）流水線結(jié)構和指令調(diào)度（二）寄存器窗口（三）優(yōu)化編譯技術四重疊、流水和向量流水處理機流水概念，分級，分類，特點流水線技術：將一個重復的時序過程分成若干個子過程，每個子過程都可有效的在其專用功能段上和其它子過程同時執(zhí)行的一種技術。1、流水線的分級：（按處理的級別分級） 操作部件級(arithmetic pipelining)：將復雜的算邏運算

14、組成流水工作方式； 指令級(instruction pipelining) ：把一條指令解釋過程分成多個子過程；處理機級或宏流水線級(macro pipelining) ：由兩個以上處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成某一專門任務，各個處理機所得到的結(jié)果需存放在與下一個處理機所共享的存儲器中。 2、流水線的分類：按功能分類：單功能流水線、多功能流水線單功能流水線(unifunction pipelining)：只能實現(xiàn)一種固定的專門功能的流水線（如CRAY-1）。 多功能流水線(multifunction pipelining) ：通過各站間的不同連接方式可以同時或不同時地實現(xiàn)多種

15、功能的流水線（如TI-ASC）。 按工作方式分類：靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線靜態(tài)流水線(static pipelining)：在同一時間內(nèi)各功能段只能按一種運算（功能）的連接方式工作。動態(tài)流水線(dynamic pipelining) ：在同一時間內(nèi)各功能段允許按多種不同運算（功能）的連接方式工作。特點：靜態(tài)流水線僅當指令都是同一類型時才能連續(xù)不斷地執(zhí)行。當從一種功能方式變?yōu)榱硪环N功能方式時，必須先排空流水線，然后再切換成另一種功能進行流水處理。靜態(tài)流水線的功能不能頻繁地變換，否則它的效率將很低。動態(tài)流水線可以提高流水線的吞吐率和設備的利用率。按連接方式（流水線中是否有反饋回路）分類：線性流水線、

16、非線性流水線。線性流水線(linear pipelining) ：從輸入到輸出，每個功能段只允許經(jīng)過一次，不存在反饋回路。一般的流水線均屬于這一類。非線性流水線(non-linear pipelining) ：存在反饋回路，從輸入到輸出過程中，某些功能段將數(shù)次通過流水線，這種流水線常用于進行遞歸運算。 3、流水線特點： 1）流水一定重疊，比重疊更苛刻。 2）一條流水線通常由多個流水段組成。 3）每段有專用功能部件，各部件順序連接，不斷流。 4）流水線有建立時間、滿載時間、排空時間， 5）各段時間盡量短、一致，不一致時最慢子過程為瓶頸。 6）給出的最大吞吐率等指標，為滿負載最佳指標。流水線性能指

17、標及分析、計算（Tp、E、Sp等）Sp=完成任務所需周期數(shù)/實際所需周期數(shù)流水線三種沖突（資源，數(shù)據(jù)，控制相關）的概念和處理方法資源相關是指當有多條指令進入流水線后在同一機器周期內(nèi)爭用同一功能部件所發(fā)生的沖突。解決方法：（1）使指令停頓一拍進入流水線，以解決相關。 （2）重復設置一個存儲器。數(shù)據(jù)相關：當一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而前面的指令均在流水線中重疊執(zhí)行，還未產(chǎn)生相應的結(jié)果時，就會引起“數(shù)據(jù)相關”。解決數(shù)據(jù)相關的方法：（可采用軟件和硬件技術）時間推后法旁路技術或相關專用通路技術（定向技術）定向技術：將一個計算結(jié)果直接傳送到所有需要它的功能單元的輸入端?？刂葡嚓P主要由無條件轉(zhuǎn)移和

18、條件轉(zhuǎn)移引起。 （轉(zhuǎn)移指令概率占1/4左右，不可忽視）解決控制相關主要使用的技術：加快和提前形成條件碼：有的指令的條件碼并不一定要等執(zhí)行完畢得到運算結(jié)果后才能形成；靜態(tài)轉(zhuǎn)移預測技術：在硬件和軟件設計完成后，轉(zhuǎn)移預測方向則確定。猜測法：按一個方向流水，預測成功或不成功方向；預取轉(zhuǎn)移目標：向兩個分支方向預取指令；加快短循環(huán)程序處理 ：設置特殊循環(huán)指令、利用硬件向后檢測若干條指令（IBM360/91：向后檢測8條）；線性和非線性流水線的調(diào)度（1） 先進的流水調(diào)度方法 - 動態(tài)調(diào)度靜態(tài)調(diào)度：借助軟件對指令執(zhí)行順序進行調(diào)度，以減少由于流水線中存在相關沖突而引起流水線的停頓時間。目前比較流行。 動態(tài)調(diào)度：

19、通過硬件重新安排指令的執(zhí)行順序以減少流水的停頓。一個周期能完成多條指令的計算機（多發(fā)射結(jié)構的RISC）、三種超級計算機對一個周期能發(fā)射多條指令計算機有超標量、超流水、超長指令字計算機，此外還有數(shù)據(jù)流計算機也屬于多發(fā)射結(jié)構。向量的處理方法1.水平處理法(橫向) d1=a1*(b1+c1) d2=a2*(b2+c2) dn=an*(bn+cn) 2.垂直處理法（縱向） 適合于流水處理 Bi+Ci - Ei(i=1到n) Ai* Ei -Di(i=1到n)3.分組縱橫處理法分成k組, 每組長度為m，組內(nèi)垂直處理，組間水平處理。 n=k*m+r (r為第k+1組剩余分量) Bi+CiEi (1到m)

20、Bi+CiEi (m+1到2m) Ei*AiDi (1到m) Ei*AiDi (m+1到2m) 增強向量處理功能的方法，特別是鏈接技術五.并行處理機與 多處理機并行概念、粒度、分類概念：在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成多個性質(zhì)相同或不同的任務。處理數(shù)據(jù)的并行性：位串字串-通常指傳統(tǒng)的串行單處理機。 位并字串-通常指傳統(tǒng)的并行單處理機。 字并位串-同時對多個字的同一位（稱位片）進行處理，開始進入并行處理領域。 全并行-同時對多個字的全部或部分位組進行處理。信息加工步驟和階段：存儲器操作并行-并行存儲器系統(tǒng)和以相聯(lián)存儲器為核心構成的相聯(lián)處理機。處理器操作步驟并行-可以是一條指令的取指、分析、執(zhí)行等操

21、作步驟，也可以是具體運算，如流水計算機。處理器操作并行-為支持向量、數(shù)組運算，可以通過重復設置處理單元進行，如并行處理機指令、任務、作業(yè)并行-較高級并行，屬于MIMD計算機。并行性粒度：每次并行處理的規(guī)模大小。用字母G表示 G=TW/TCTW：所有處理器進行計算的時間總和；TC：所有處理器進行通信的時間總和。（設系統(tǒng)共有P個處理器）當TC較大時，通信量大，則G較小處理粒度較細。反之對于粗粒度的并行，通信量較小。單機并行發(fā)展的3條技術途徑提高計算機系統(tǒng)的并行性的技術途徑： 時間重疊（Time Interleaving）：在并行性概念中引入時間因素。讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同

22、一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復（Resource Replication）：并行性概念中引入空間因素。通過重復設置的硬件資源來提高系統(tǒng)可靠性或性能。例如，通過使用兩臺或多臺完全相同的計算機完成同樣的任務來提高可靠性。資源共享（Resource Sharing）：利用軟件的方法讓多個用戶按一定時間順序輪流地使用同一套資源，以提高其利用率，這樣相應地提高整個系統(tǒng)的性能。例如多道程序分時系統(tǒng).三種單級互連網(wǎng)及兩種多級互連網(wǎng)功能、工作方式立方體網(wǎng)PM2I單級互聯(lián)網(wǎng)混洗交換單級互聯(lián)網(wǎng)絡STARAN網(wǎng)omega網(wǎng)絡靜態(tài)互連網(wǎng)結(jié)構？多處理機互連結(jié)構（總線、交叉開關、多端口存儲器、多級網(wǎng)）靜態(tài)網(wǎng)絡常用來實現(xiàn)集中式系統(tǒng)的多系統(tǒng)之間或分布式系統(tǒng)的多個計算機結(jié)點間固定連接。它一旦構成后就固定不變?？偩€結(jié)構：把所有功能模塊（或部件、或計算機）連接到一條公共通信通路上，又稱為分時或公共總線。交叉開關網(wǎng)絡：包含一組縱橫開關陣列，把縱向的處理機P及I/O通道與橫向的存儲器模塊M連接起來，使每個處理器都有有它單獨可用的通路與存儲器模塊相連，這樣可以加大頻帶寬度，每個交叉點都有開關、多路控制轉(zhuǎn)換及仲裁部件。多端口存儲器互連方式：每個存