計算機體系結(jié)構(gòu)總結(jié)

1、計算機體系結(jié)構(gòu)重點1、 并行線索：時間，空間的并行并行性：計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)進行多種運算或操作2、 資源重復，時間重疊，資源共享資源重復：通過重復設(shè)置硬件資源，大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。（多處理機系統(tǒng)）時間重疊：多個處理過程在時間上相互錯開，輪流、重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分。（流水線）資源共享：軟件方法，使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。（多道程序、分時系統(tǒng)）3、 數(shù)據(jù)并行：字、位（1） 流水線的指令并行（2） 超流水線：細分時間（3） 超標量流水線：重復設(shè)置流水線（4） 向量機：流水線，數(shù)據(jù)并行（5） 提高cache命中率（6） 多機系統(tǒng)，線程級并

2、行（CMP）4、 局部性（1） 存儲系統(tǒng)原理（2） 提高cache命中率（victim cache，偽相聯(lián)cache）（3） cache有好程序（空間、時間局部性）有些去年的題都沒有被老師的提綱點出來，崩潰了。藍色的沒查到，暈了。紅色的太龐大，懶了。-賣萌了by備（分章解讀）一、概論1、 計算機體系結(jié)構(gòu)與組成原理，實現(xiàn)的關(guān)系，基本概念（兼容、模擬、仿真）層次：微程序語言、機器語言、（操作系統(tǒng)虛擬機）、<-解釋的方法實現(xiàn)-用翻譯的方法實現(xiàn)->匯編語言、高級語言、應(yīng)用語言硬件邏輯優(yōu)點：速度快虛擬機：由軟件實現(xiàn)的機器，以區(qū)別于由硬件/固件實現(xiàn)的物理機器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：程序員所看到的計算機

3、屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包含物理機器中的數(shù)據(jù)通道和控制信號的組成以及邏輯設(shè)計等。計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)，包括處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術(shù)等。計算機系統(tǒng)機構(gòu)的研究對象：計算物理系統(tǒng)的抽象和定義；具體包括：數(shù)據(jù)表示；尋址方式；寄存器定義；指令系統(tǒng)；存儲結(jié)構(gòu)；中斷系統(tǒng)；機器工作狀態(tài)定義和切換；I/O系統(tǒng)；總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)安全與保密；結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)三者關(guān)系：結(jié)構(gòu)是計算機系統(tǒng)的軟、硬件界面；組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；實現(xiàn)是九三級組成的物理實現(xiàn)；軟件兼容：同一個軟

4、件可以不加修改地運行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各個機器上，而且所得結(jié)果一致；向上（下）兼容：低（高）檔機器的目標程序不加修改就可以運行于高（低）檔機器。一般向上兼容。前后兼容：指按系列機投放市場先后，實現(xiàn)軟件兼容。一般向后兼容。模擬：用機器語言解釋實現(xiàn)程序移植的方法；（用機器語言，程序在主存儲器）仿真：直接用微程序去解釋另一種機器的指令系統(tǒng)；（用微程序，程序在微程序存儲器）2、 Amdahl（定律加速比公式）S=Fi：可改進比例Si：部件加速比應(yīng)用見大題；3、 計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法（三個方面。軟硬件平衡）（1） 確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能要求（2） 軟、硬件平衡：性價比與實現(xiàn)的難易程

5、度（3） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合今后發(fā)展方向4、 計算機體系結(jié)構(gòu)的評價標準（，CPI，平均CPI，MIPS）CPI：（IC：指令數(shù)；CPI：每條指令周期）5、 馮諾依曼計算機（順序執(zhí)行（串行執(zhí)行），程序存儲，集中控制，以ALU為核心）控制流計算機(1) 以ALU為中心(2) 在存儲器中，指令和數(shù)據(jù)同等對待(3) 存儲器是按地址訪問、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個存儲單元的位數(shù)是固定的(4) 指令是順序執(zhí)行的(5) 指令由操作碼和地址碼組成(6) 指令和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，采用二進制運算6、 體系結(jié)構(gòu)分類方法（Flynn分類法：指令流，數(shù)據(jù)流，多倍性）Flynn：按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類

6、。指令流：機器執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列多倍性：在系統(tǒng)受限的部件上，同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流（縮寫）：傳統(tǒng)的順序處理計算機、標量流水線處理機SIMD：陣列處理機、向量流水線處理機、相聯(lián)處理機MISD：無MIMD：大多數(shù)多處理機和多計算機系統(tǒng)；（處理機之間相互作用程度高，緊密耦合）7、 非馮諾依曼計算機（數(shù)據(jù)流驅(qū)動、需求驅(qū)動）二、流水線（并行概念）1、 流水線基本概念（如何實現(xiàn)并行、多個取指、分析、執(zhí)行部件）（1） 流水線：加快指令的解釋過程，提高指令的并行性（2） 如何實現(xiàn)：（重疊技術(shù)）取指分析子過程在指令分析器里完成，執(zhí)行子過程在

7、執(zhí)行部件實現(xiàn)。這兩個部件是獨立的。如果分析子過程所需時間=執(zhí)行子過程所需時間（分析周期=執(zhí)行周期），那么執(zhí)行部件里處理第n條指令的執(zhí)行子過程時，分析器里處理的是第n+1條指令的分析子過程。2、 先行控制技術(shù)（預(yù)處理、緩沖），鎖存技術(shù)（1） 先行控制技術(shù)：緩沖+預(yù)處理技術(shù)結(jié)合；通過對指令流和數(shù)據(jù)流的先行控制，盡量使指令分析部件和執(zhí)行部件處于忙碌狀態(tài)。（2） 緩沖技術(shù)：在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑他們的工作（3） 預(yù)處理技術(shù)：預(yù)取指令、對指令進行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。3、 指令并行的空間并行和時間并行性：時空圖*主要見大題 時鐘周期 指令123456789指令kIFIDE

8、XMEMWB指令k+1IFIDEXMEMWB指令k+2IFIDEXMEMWB指令k+3IFIDEXMEMWB指令k+4IFIDEXMEMWB指令周期取處存處修改IF（取指令周期）存儲器指令寄存器IRPC+=4ID（指令譯碼/讀寄存器周期）IR寄存器編號、通用寄存器組讀出操作數(shù)EX（執(zhí)行/有效地址計算周期）-MEM（存儲器訪問/分支完成周期）存儲器（load指令）（store指令）存儲單元PC（分支指令）WB（寫回周期）通用寄存器組IF-MEM可能沖突ID-WB可能沖突4、 線性流水線（動靜態(tài)）的性能分析（加速比、吞吐率、效率、瓶頸）（1） 靜態(tài)流水線：在同一時間段內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按

9、同一種功能的連接方式工作（2） 動態(tài)流水線：-可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能（3） 線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路（4） 非線性流水線：-，還有反饋回路（5） 吞吐率（TP）：單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量（6） 加速比（S）：完成同樣一批任務(wù)，不用流水線所用時間與使用之比（流水線各段時間相等）（流水線各段時間相等）（7） 效率（E）：流水線中的設(shè)備實際使用時間與整個運行時間的比（流水線各段時間相等）（流水線各段時間相等）（流水線各段時間相等）（各段時間不等）（8） 細分瓶頸段：把大的瓶頸分為若干等時間的小的段（9） 重復設(shè)置瓶頸段：把連續(xù)幾次大的瓶

10、頸并行5、 非線性流水線的調(diào)度問題（性能分析）*主要見大題，以下是會做的方便記的自我總結(jié)的方法（1） 禁止表F：每行X（或）相隔距離組合（2） 沖突向量：從右向左書寫禁止表（有的地方寫1，沒的寫0）（3） 狀態(tài)有向圖：不斷右移沖突向量，出1繼續(xù)移，出0按位或，得新狀態(tài)再繼續(xù)（4） 最優(yōu)調(diào)度策略：所有策略列表，算平均時間間隔，如策略（x，y，z）時間為（x+y+z）t/3（5） 實際吞吐率、加速比、效率：按照定義來算；吞吐率：加速比：效率：流水線中的設(shè)備實際使用時間與整個運行時間的比6、（1） 流水線相關(guān)性分析（數(shù)據(jù)，名，控制相關(guān)）i,j,k指令兩兩數(shù)據(jù)相關(guān)：，：，：，i,j指令名相關(guān)（反相關(guān)、

11、輸出相關(guān)）：，：，S1與p1控制相關(guān)：if p1 S1；（2） 相應(yīng)引起的冒險（沖突）（數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)，控制冒險）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突（硬件資源沖突）數(shù)據(jù)沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突（數(shù)據(jù)相關(guān)&名相關(guān)）控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值得指令所引起的沖突（控制相關(guān)）（3） 處理方式*（見大題）數(shù)據(jù)相關(guān)，結(jié)構(gòu)冒險（寫讀、讀寫、寫寫）推后執(zhí)行（加入stall）設(shè)置相關(guān)專用通路（定向技術(shù)）靜態(tài)調(diào)度技術(shù)（編譯技術(shù)、亂序）動態(tài)調(diào)度技術(shù)（Tomasulo算法->要求不高，理解；寄存器換名，動態(tài)監(jiān)測，保

12、留棧）控制相關(guān)延遲轉(zhuǎn)移提前形成條件碼編譯技術(shù)（分支失敗、分支成功、延遲槽（ReOrderBuffer）動態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測技術(shù)（分支歷史表BHT）7、 精確斷點與不精確斷點（1） 不精確斷點：流水線可以不斷流；需要的硬件比較少，控制邏輯比較簡單；中斷響應(yīng)時間加長；（2） 精確斷點：流水線一定中斷；要設(shè)置一定數(shù)量的后援寄存器（3） 定義：對于輸入輸出設(shè)備的中斷服務(wù)，使中斷指令現(xiàn)場和其后已進入流水線的指令得到保護，并保證流水線可以恢復中斷。8、 超標量與超流水線處理機（概念指令并行度（ILP），區(qū)別，指令相關(guān)性分析，超標量發(fā)射性能分析）（1） 超流水線處理機：一個時鐘周期內(nèi)能夠分時流出多條指令的處理機（指

13、令流水線級數(shù)為8+）（2） 超標量處理機：使用了多指令流水線，每個時鐘周期發(fā)射多條指令并產(chǎn)生多個結(jié)果（3） 不同： 處理機不同超流水線處理機超標量處理機并行性時間并行性空間并行性指令發(fā)射度2-5ILPm>ILP>1(m條指令)9、 循環(huán)展開和指令調(diào)度（1） 循環(huán)展開：是一種犧牲程序的尺寸來加快程序的執(zhí)行速度的優(yōu)化方法。<-來自百度0.0!增加指令間并行性，開發(fā)循環(huán)級并行性。循環(huán)的不同迭代之間存在的并行性。三、向量機（并行性）->要求不高，概念，方式1、 向量機的基本概念和原理：流水線，多處理機（向量指令、內(nèi)部寄存器），鏈接技術(shù)，半性能向量長度（1） 向量處理機：設(shè)置了向

14、量數(shù)據(jù)表示和相應(yīng)的向量指令的流水線處理機（2） 半性能向量長度n1/2：向量處理機的運行性能達到其峰值性能R的一半時所必須滿足的向量長度。越小越好（3） 流水線：講一個重復的時序過程分解為若干子過程，而每個子過程都可以有效地在其專用功能上與其他子過程同時執(zhí)行。（4） 多處理機：包含兩個或兩個以上功能大致相同的處理器；所有處理器共享一個公共內(nèi)存；所有處理器共享I/O通道、控制器和外圍設(shè)備；整個系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制，在處理器和程序之間實現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序段、數(shù)組和數(shù)組元素等各級的全面并行。2、 滿足運算器帶寬要求的存儲系統(tǒng)（存儲器-存儲器結(jié)構(gòu)，寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)）(1) 存儲器-存儲器結(jié)構(gòu)：主

15、存由多個模塊構(gòu)成，流水處理部件與主存系統(tǒng)之間有三條獨立的數(shù)據(jù)通路（兩條輸入，一條輸出），個數(shù)據(jù)通路可以同時工作，但一個存儲模塊在某一個時刻只能為一個通路服務(wù)。工作特點：源向量都取自主存，且結(jié)果向量也存放到主存中(2) 寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)：主存系統(tǒng)和向量功能部件之間插入了一個小容量的高速向量寄存器組，可以得到較大的帶寬。大部分操作在向量寄存器之間進行，減少訪存次數(shù)，降低對主存帶寬要求。工作特點：源向量都取自向量寄存器，且結(jié)果也存放到向量寄存器中3、 向量處理方式（橫向，縱向，縱橫向）：D=A*(B+C)（1） 橫向處理方式：for（i=1,i<=n,i+）ki=bi+ci；di=ki*ai

16、（2） 縱向處理方式：for（i=1,i<=n,i+）ki=bi+cifor（i=1,i<=n,i+）di=ki*ai（3） 縱橫向處理方式：N=S*n+r；(N為向量長度，S為組數(shù)，n為每組長度，r為余數(shù))for（j=1,j<=S+1,j+）for（i=(j-1)n+1,i<j*n,i+）ki=bi+cifor（i=(j-1)n+1,i<j*n,i+）di=ki*ai4、 向量處理機性能分析（指令執(zhí)行時間，編隊）（1） 向量指令流水線處理時間TVP：5、 提高向量處理機性能常用方法（設(shè)置多個功能部件，向量鏈接技術(shù)，分段開采技術(shù)，向量遞歸）（1） 鏈接技術(shù)：具有先

17、寫后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和源向量沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進行流水處理，以達到加快執(zhí)行的目的。-流水線的定向技術(shù)在向量處理機中的應(yīng)用-省去每個元素多余的存儲時間（2） 分段開采技術(shù)：向量的長度大于向量寄存器長度->把長向量分成長度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個向量段。（3） 向量遞歸：對一維數(shù)組歸約求值結(jié)果是一個標量-兩種方法解決->1、 將歸約操作分解為可向量化部分和遞推求和部分；2、或者在遞推求和部分采用遞歸折疊技術(shù)，他是加快向量歸約操作的有效方法。四、存儲系統(tǒng)（局部性）1、 體系結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)（虛擬存儲器、容量、cache存儲系統(tǒng)

18、，速度）（1） 虛擬存儲器：“主存-輔存”層次進一步發(fā)展的結(jié)果。（2） 容量、速度、價格的關(guān)系：容量：每位價格：（3） Cache存儲系統(tǒng)：作用：彌補主存速度不足結(jié)構(gòu)：分成塊（行），每塊由若干字（字節(jié)）組成速度：主存的2-4倍2、 三個主要問題（地址映像、地址變換、替換算法）詳見大題（1） 映像規(guī)則：全相聯(lián)（n：1）、直接相聯(lián)（1：n）、組相聯(lián)（n：n）（2） 替換算法：隨機法；FIFO；LRU3、 存儲系統(tǒng)性能分析（訪問周期、命中、訪問效率、CPI）令：M1和M2兩個存儲器構(gòu)成兩級存儲層次結(jié)構(gòu)，假設(shè)M1的容量、訪問時間和每位價格分別為S1、TA1、C1；M2的參數(shù)為S2、TA2、C2（1）

19、存儲層次的平均每位價格C：（2） 命中率H：（3） 失效率F：F=1-H（4） 平均訪存時間TA：TM為失效開銷“（）”TA2為M2的訪問時間（5） CPI見上。4、 虛擬存儲器（同樣的三個問題）段式、頁式、段頁式（1） 頁式：把空間劃分為大小相同的塊-頁面。機械劃分（2） 段式：把空間劃分為可變長的塊-段。邏輯劃分（3） 段頁式：每段被劃分成若干頁面。5、 高速緩沖存儲器（地址映像、地址變換、替換算法、寫入）全相聯(lián)（1） 地址變換：用硬件實現(xiàn)；（2） 替換算法：采用堆棧算法或比較對法等硬化處理；絕大多數(shù)采用LRU算法（3） 地址映像：一般采用組相聯(lián)映像。全相聯(lián)將使變換表容量過大而降低訪問速度

20、（4） 寫入：采用預(yù)取算法：提高命中率（不一定提高）6、 替換算法（FIFO，LRU，LFU，OPT）大家都懂。（1） FIFO先進先出（2） LRU最近最久未使用7、 Cache Friendly（局部性）（1） 程序訪問局部化性質(zhì)：Cache得以實現(xiàn)的原理基礎(chǔ)（2） 在一個較短的時間間隔內(nèi)，程序所產(chǎn)生的訪存地址往往集中在存儲器地址空間的小范圍內(nèi)。8、 cache 一致性問題（寫直達、寫回法）（1） 寫直達法（存直達法）：執(zhí)行“寫”操作時，不僅把信息寫入Cache中相應(yīng)塊，而且也寫入下一級存儲器中相應(yīng)塊（2） 寫回法（拷回發(fā)）：只把信息寫入Cache中相應(yīng)塊，該塊只有在被替換時，才被寫回主存

21、。9、 改進cache性能（三種失效3C、失效率、失效開銷、命中時間）（1） 降低失效率（2） 減少失效開銷（3） 減少命中時間（4） 三種失效3C：強制性失效：當?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，需從下一級存儲器中調(diào)入Cache。容量失效：程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當某些塊被替換后，被重新訪問，就會失效。沖突時效：在組相聯(lián)或直接映像Cache中，若太多的塊映像到同一組塊中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換、然后又被重新訪問的情況。10、 改進cache性能方法：（1） 增加cache塊大?。?） 提高相聯(lián)度（3） victim cache（4） 偽相聯(lián)cache（

22、5） 編譯器優(yōu)化（6） 非阻塞cache技術(shù)（7） 多級cache（8） 寫緩沖合并（9） 結(jié)構(gòu)簡單的cache五、互連網(wǎng)絡(luò)：并行性（概念、理解）1、 互連網(wǎng)絡(luò)基本概念：CPU耦合（定時方法：同步異步；交換方法；控制策略；拓補結(jié)構(gòu)）（1） 互連網(wǎng)絡(luò)：一種由開關(guān)元件按照一定的拓補結(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中結(jié)點之間的相互連接（2） 定時方式：同步：使用一個統(tǒng)一的時鐘（SIMD陣列處理機）；異步：沒有統(tǒng)一時鐘；（3） 交換方法：線路交換：源結(jié)點和目的結(jié)點之間的物理通路在整個數(shù)據(jù)傳送期間一直保持連接；分組交換：把信息分割成許多組（包），將他們分別送入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)包可通過不同路徑傳

23、送，到達目的后再拼合成原數(shù)據(jù)。結(jié)點之間不存在固定連接的物理通路；（4） 控制策略：集中式：有個全局的控制器接收所有的通信請求，并由他設(shè)置互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)連接；分散式：不存在全局控制器，通信請求的處理和開關(guān)的設(shè)置由互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分散進行；（5） 拓補結(jié)構(gòu)：靜態(tài)：在各結(jié)點之間有專用的連接通路，且在運行過程中不能改變；動態(tài)：可根據(jù)需要設(shè)置互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)，從而對結(jié)點之間的連接通路進行重新組合，實現(xiàn)所要求的通信模式。2、 互連網(wǎng)絡(luò)的特性和性能參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、結(jié)點度、距離、網(wǎng)絡(luò)直徑）（1） 特性：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點的總數(shù)，反映網(wǎng)絡(luò)連接的部件多少結(jié)點度：與結(jié)點相連接的邊數(shù)距離：兩個結(jié)點間相連的最少邊數(shù)網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩個結(jié)點之間距離的最大值聚集帶寬：從一半結(jié)點到另一半結(jié)點，每秒傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)（b/s）或字節(jié)數(shù)（B/s）等分帶寬：當某一網(wǎng)絡(luò)被分成相等的兩半時，沿分界面的最小邊數(shù)結(jié)點間的線長：兩個結(jié)點間連線的長度網(wǎng)絡(luò)對稱性：如果從網(wǎng)絡(luò)任一結(jié)點看出去的拓補結(jié)構(gòu)都是一樣的，則稱該網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)（2） 性能參數(shù)：頻寬：網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的最大速率，也稱傳輸速率（b/s）傳輸時間：消息（報文）通過網(wǎng)絡(luò)的時間，等于消息長度除以頻寬傳播時延：報文的第一位