第一章：計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念

1.存儲程序計算機（馮諾依曼）：4部分

????????????????運算器（用于完成數(shù)值運算）

????????????????存儲器（用于存儲程序和數(shù)據(jù)）

????????????????輸入輸出設備（用于完成計算機與外部信息交互）

????????????????控制器（根據(jù)程序形成控制序列，完成對數(shù)據(jù)的運算）

? 馮諾依曼計算機特點：

????????（1）機器以運算器為中心

????????（2）采用存儲程序原理，程序（指令）和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中

????????（3）存儲器事按地址訪問的，線性編址空間。

????????（4）控制流由指令流產(chǎn)生。

? ? ? ? （5）指令由操作碼和地址碼組成。

? ? ? ? （6）數(shù)據(jù)以二進制代碼表示。

2.程序員所看到的機器屬性：

? ? ? ? （1）數(shù)據(jù)表示，硬件能直接辨認和處理的數(shù)據(jù)類型。

? ? ? ? （2）尋址規(guī)則，包括最小尋址單元，尋址方式及其表示。

? ? ? ? （3）寄存器定義，包括各種寄存器的定義，數(shù)量，使用方式。

? ? ? ? （4）指令系統(tǒng)，包括機器指令的操作類型和格式，指令間的排序和控制機構(gòu)。

? ? ? ? （5）中斷系統(tǒng)，中斷的類型和中斷響應

? ? ? ? （6）機器工作狀態(tài)的定義和切換，如管態(tài)和目態(tài)

? ? ? ? （7）存儲系統(tǒng)，主存容量，程序員可用的最大容量

? ? ? ? （8）信息保護，包括信息保護方式和硬件對信息保護的支持。

? ? ? ? （9）I/O結(jié)構(gòu)，包括i/o連接方式，處理機/存儲器與i/o設備數(shù)據(jù)的傳送方式和格式及i/o操作的狀態(tài)

??3.計算機體系結(jié)構(gòu)包括計算機系統(tǒng)設計的三個方面：

? ? ? ? 計算機指令系統(tǒng)

? ? ? ? 計算機組成

? ? ? ? 計算機硬件

4，并行性概念：在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或者兩種以上性質(zhì)相同或者不相同的工作。（把兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生的并行性交錯同時性，把兩個或者多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生的并行性交錯并發(fā)性）

5.提高并行性的技術(shù)途徑：

? ? ? ? （1）時間重疊：（多個處理過程在時間上相互錯開，輪番使用同意硬件的各個部分）

? ? ? ? （2）資源重復：（通過重復設置硬件資源，從而大幅提升計算機系統(tǒng)性能）

? ? ? ? （3）資源共享：（多個任務按照一定的時間順序輪流使用同一套硬件設備）

6.Amadahl定律：

? ? ? ? 加速比=（改前）總執(zhí)行時間/（改后）總執(zhí)行時間

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=1/（1-可改比）+可改進比例/部件加速比

例1：

解答 ：

例2：

解答：

7.CPU性能：

? ? ? ? CPU時間=總時鐘周期數(shù)/時鐘頻率

? ? ? ? CPI（指令時鐘數(shù)）=總時鐘周期數(shù)/IC（指令數(shù)）

第2章? 指令系統(tǒng)?

1，指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類：

? ? ? ? 堆棧型結(jié)構(gòu)：

? ? ? ? 累加器結(jié)構(gòu)：

? ? ? ? 通用寄存器結(jié)構(gòu)：根據(jù)操作數(shù)不同又細分。RM型（寄存器-儲存器型操作數(shù)可來自存儲器）RR型（寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)操作數(shù)都來自通用寄存器）

2，設計指令的基本準則

? ? ? ? 完整性：在有限可用存儲空間內(nèi)，解決任何問題指令系統(tǒng)提供的指令都足夠使用。

? ? ? ? 規(guī)整性：所有指令系統(tǒng)相關(guān)的存儲使用，操作碼的設置是對稱的，不同操作數(shù)類型，字長，和數(shù)據(jù)存儲單元，指令的設置都要同等對待。

? ? ? ? 正交性：指令中各個不同含義的字段在編碼時互不相關(guān)。相互獨立

? ? ? ? 高效性：指令執(zhí)行的速度快，使用頻度高。

? ? ? ? 兼容性：實現(xiàn)向后兼容，指令系統(tǒng)可增加新指令。

3，RISC指令：盡可能把指令系統(tǒng)簡化，指令條數(shù)少，功能簡單。

? ? ? CISC指令：增強指令功能，把越來越多功能給硬件實現(xiàn)。存在（1）指令頻度相差懸殊（2）指令系統(tǒng)龐大，條數(shù)太多，太復雜占用大量cpu面積，成本高（3）操作繁瑣，規(guī)整性不好的問題

? ? ? ? ? ? ? ??

4，指令操作碼設計

? ? ? ? 例：

?解答：

?

第三章：流水線技術(shù)

1，流水線技術(shù)及特點：流水指將一個重復的時序過程，分解成若干個子過程，每個子過程都可以有效的在其專用功能段上與其他子過程共同執(zhí)行。

? ? ? ? 特點：（1）流水由多個相關(guān)聯(lián)的子過程組成，每個過程稱為流水的“級”或“段”。段數(shù)稱為“深度”或“流水深度”。（2）每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)。（3）各段的時間應盡量相等（4）流水線需要有通過時間，此后進入穩(wěn)定狀態(tài)。（5）流水技術(shù)適合大量重復的過程。

2，流水的分類：

????????1，單功能流水（完成單一功能）和多功能流水（完成不同功能）。

? ? ? ? 2，靜態(tài)流水（各段按同一功能的連接方式工作）和動態(tài)流水（一些段實現(xiàn)某種運算，另一些段實現(xiàn)其他運算）。

? ? ? ? 3，部件級，處理機級及處理機間流水線。

? ? ? ? 4，標量流水處理機和向量流水處理機。（有無向量數(shù)據(jù)表示）

? ? ? ? 5，線性流水和非線性流水。（有無反饋機制）

3，MIPS流水線改進：

簡單的數(shù)據(jù)通路：

增加數(shù)據(jù)寄存器：

增加定向路徑：

優(yōu)化分支：

4，流水性能分析：

? ? ?吞吐率：是單位時間內(nèi)流水線所完成的任務數(shù)或輸出結(jié)果數(shù)量。

? ? ?最大吞吐率：穩(wěn)定流水的吞吐率TPmax=1/▲t（與最慢的那一段執(zhí)行時間有關(guān)）

? ? ?加速比：指m段流水線的速度和等功能非流水速度之比（不用流水的X軸坐標/用流水的X軸坐標）? ?

? ? ?效率：流水設備的利用率（運行的格子/總格子數(shù)）

例題：

時空圖：

?計算：

效率：E=n/m=4*6+3*4/18*8=0.25?

5，流水中的相關(guān)

? ? ? ? 結(jié)構(gòu)相關(guān)：指令在同步重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求。

? ? ? ? 數(shù)據(jù)相關(guān)：當前一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令都在流水折疊執(zhí)行。

? ? ? ? 控制相關(guān)：當流水線遇到分支指令和其他能改變pc值的指令就會發(fā)生控制相關(guān)。

6，數(shù)據(jù)相關(guān)分類

????????寫后讀相關(guān)：讀的操作先于寫，導致讀到不正確的值。

? ? ? ? 寫后寫相關(guān)：第一個寫操作速度沒有第二個寫操作快，導致寫入的值應為操作2實際是操作1

? ? ? ? 讀后寫相關(guān)：本應該先讀后寫，結(jié)果寫快了，讀到的數(shù)據(jù)是后來新寫進去的值發(fā)生錯誤。

7，定向技術(shù):某條指令產(chǎn)生一個計算結(jié)果之前，其他指令并不真正需要這個計算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚嬎憬Y(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要的地方，就可避免暫停。

8.通過時間、排空時間：分別指第一個任務和最后一個任務進入流水到流出結(jié)果的時間段。這兩個流水都不是滿載的。

第四章：指令級并行

1，指令級并行的概念：當指令之間不存在相關(guān)時，在流水上可以疊加執(zhí)行則為指令并行。

2.循環(huán)展開：將循環(huán)中多個基本塊展開成一個基本塊，從而可以在其中填充stall。

例題：115頁 4.2

????????

3.指令調(diào)度：通過預先分離出指令，并重排指令的順序避免指令流水線停頓。

? ?動態(tài)調(diào)度：通過硬件重新安排指令的執(zhí)行順序，調(diào)整相關(guān)指令實際執(zhí)行時的關(guān)系減少空轉(zhuǎn)。

4.記分牌：記分牌算法允許亂序執(zhí)行，將基本流水的（譯碼）階段再分為（流出）和（讀操作數(shù)）兩個階段。

5.Tomasulo算法：

? ? ? ? Tomasulo算法的基本思想，只要操作數(shù)有效，就將其取到保留站，避免指令流出時才到達寄存器中取數(shù)據(jù)，使得即將執(zhí)行的指令從相應的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也將直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。

? ? ? ? 換名功能由（保留站的編號）來完成的要擴充Tomasulo算法支持前檐執(zhí)行，需將Tomasulo算法中寫結(jié)果段分為（寫結(jié)果）和（指令確認）兩個階段。

第五章：存儲層次

1，多級存儲層次：寄存器-Cache-主存-輔存。分別為M1，M2，M3，M4.

兩種存儲層次的關(guān)系 ：在cpu和主存之間增加cache彌補主存速度不足的缺陷。另一個是在主存外面增加一個容量更大，價格更低的輔存（磁盤）。

2.性能參數(shù):

? ? ? ?命中率：H=N1/N1+N2（N1，N2為在M1與M2訪問的次數(shù)）

? ? ?平均每位價格C=C1S1+C2S2/S1+S2（C1，C2為M1，M2的價格，S1，S2為M1，M2的容量）

? ? ? 平均訪問時間 TA=TA1+(1-H)TM

3.改進cache性能的三種方式：

? ?（1）降低失效率：調(diào)節(jié)cache塊的大小，提高相聯(lián)度，Victim cache，硬件預取，編譯優(yōu)化

???（2）減少失效開銷：寫緩沖寫合并，讀失效優(yōu)先于寫，請求字處理，多級cache，非阻塞cache

???（3）減少cache命中時間：用小容量結(jié)構(gòu)簡單的cache，虛擬cache，訪問流水，多體cache等等

?5.三種映射的特點：

????????直接映射：主存塊只能被放置到唯一的一個cache的方式。

? ? ? ? 全相聯(lián)映射：主存塊可以被放置到任意一個cache塊位置

? ? ? ? 組相聯(lián)映射：主存塊可以放到cache中唯一一個組的任何一個位置.

6.寫直達：不僅把信息寫入cache中響應的塊，而且也寫入下一級存儲器中。

? ?寫回法：只把信息寫入Cache中相應的塊。該塊只有在被替換的時候才被寫回下一級存儲器。

第六章：輸入輸出系統(tǒng)

1.I/O系統(tǒng)可以通過（響應時間）和（可靠性）參數(shù)衡量其性能

2.磁盤陣列

? ? ? ? RAID0：數(shù)據(jù)直接分布在多個磁盤上，無冗余。（速度快，容量大，可靠差）

? ? ? ? RAID1：數(shù)據(jù)采用鏡像，擁有一個冗余。（讀寫操作快，容量小，可靠性高）

? ? ? ? RAID5:交叉分布式奇偶校驗(冗余小，讀寫快，但是設計復雜)

3.DMA訪問方式

? ? ? ? 1.使操作系統(tǒng)在I/O的傳輸過程中確保DMA設備訪問的頁面都位于物理存儲器中，這些頁面都是鎖定在主存的頁面。

? ? ? ? 2.采用“虛擬DMA技術(shù)”，它允許DMA設備直接使用虛擬地址，DMA期間由硬件將虛擬地址映射到物理地址。

4.通道：為減輕CPU負擔管理外設的I/O

? ? ? ? ? ? ? ? 1通道的功能：接受來自cpu的i/o指令，根據(jù)指令與指定的外設進行連接

? ? ? ? ? ? ? ? 2執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序

? ? ? ? ? ? ? ? 3為主存和外設設置傳輸控制信息。

? ? ? ? ? ? ? ? 4指定后才能送工作結(jié)束時進行的操作

? ? ? ? ? ? ? ? 5檢查外設的工作方式

? ? ? ? ? ? ? ? 6在傳輸數(shù)據(jù)過程中完成必要的數(shù)據(jù)格式變換。

選擇題：

1，從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，機器語言程序員看到的機器屬性是（ A?）。

????????A.編程要用到的硬件組織? ? ? ? ? ?? B.計算機硬件的全部組成

????????C.計算機軟件所完成的功能 ????????D.計算機各部件的硬件實現(xiàn)

2，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不包括（C）

????????A.機器工作狀態(tài)? ? ? ? B.信息保護

? ? ? ? C.主存速度? ? ? ? ? ? ? ?D.數(shù)據(jù)表示? ? ? ??

3，多處理器實現(xiàn)的并行主要是（B）

A.指令級并行? ? ? ? B.任務級并行? ? ? ? C.操作級并行? ? ? ? D.操作步驟的并行

4，RISC執(zhí)行程序的速度比CISC要快的原因是（A）

A.RISC的指令平均執(zhí)行周期數(shù)少? ? ? ? B.RISC的指令系統(tǒng)中指令條數(shù)較少

C.程序在RISC上編譯生成的目標程序較短? ? ? ? D.RISC只允許load和store指令訪問

5.下列符合RAID5的說法正確的使（D）

A.磁盤所能使用的空間只有磁盤容量的一半? ? ? ? B .有單獨指定的奇偶盤

C.沒有冗余或錯誤修復能力? ? ? ? D.交叉存取數(shù)據(jù)及奇偶校驗信息于所有磁盤上

6.i/o數(shù)據(jù)不經(jīng)過cpu內(nèi)部寄存器的i/o方式是（D）

A程序控制i/o方式? ? ? ? B中斷輸入輸出方式

C堆棧訪問方式? ? ? ? D直接存儲訪問方式

7.當計算機系統(tǒng)通過執(zhí)行通道程序完成i/o工作時，執(zhí)行通道程序的是（A）

A通道? ? ? ? ? ? ? ? B.cpu? ? ? ? ? ? ? ? C.cpu和通道? ? ? ? D.指定的外設

8.磁盤存儲器適合連接到（B）

A.字節(jié)多路通道或選擇通道? ? ? ? ? ? ? ? B.字節(jié)多路通道或者數(shù)組多路通道

C選擇通道或者數(shù)組多路通道? ? ? ???????D.任意一組通道? ? ? ??

總結(jié)

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