计算机系统结构总结

1、计算机系统的多级层次结构：

物理机：用固件/硬件实现的机器。

虚拟机：由软件实现的机器。（虚拟机中有些操作可以由硬件或固件实现。固件：具有软件功能的硬件）本门课程研究软硬件的交界面

2、计算机系统结构（Computer Architecture）是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概

念性结构与功能特性。

计算机组成（Computer Organization）指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。

计算机实现（Computer Implementation）指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。

下面举例说明上三个概念的区别：

（1）确定指令系统中是否有乘法指令属于计算机系统结构的内容，但乘法指令时用专门的乘法器实现，还是用加法器经多步操作来实现，属于计算机组成。而乘法器、

加法器的物理实现，入器件的选定及所用的微组装技术等，属于计算机实现。

（2）主存容量与编址方式（按位、按字节或按字访问等）的确定属于计算机系统结构。

为了达到给定的性能价格比，主存速度的快慢、逻辑结构是否采用多体交叉等属

于计算机组成。而主存系统的物理实现，如器件的选定、逻辑电路的设计、微组

装技术的使用等均属于计算机实现。

3、CPU性能取决于CPU时间。

冯•诺依曼计算机以运算器为中心。

4、仿真和模拟的主要区别在于解释执行所用的语言。（仿真是用是微程序解释执行，模拟是

用机器语言程序解释执行）

5、并行性的两层含义：同时性（simultaneity）和并发性（concurrency）

（同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生）

（并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生）

6、看课后题：1.7和1.9

1、CPU中用来存放操作数的存储单元主要有3种：堆栈、累加器、通用寄存器组。据此，可

以把指令系统的结果分为堆栈型结构、累加器型结构以及通用寄存器型结构。在通用寄存器型结构中，根据操作数的来源不同，又可以进一步分为寄存器—存储器型结构（简称RM结构）、寄存器—寄存器型结构（简称RR结构）以及存储器—存储器型结构（简称MM结构）已淘汰

2、书33页的四种寻址方式，看懂

3、对指令系统的基本要求是：完整性、规整性、正交性、高效性和兼容性。

4、CISC代表的是复杂指令集计算机，发展趋势：单条指令的功能越来越强大，整体指令条

数越来越多；RISC代表的是精简指令集计算机，发展趋势：单条指令功能越来越单一，指令集内部指令越来越少。

5、数据表示（Data Representation）是指计算机硬件能够直接识别、指令系统可以直接调用的

数据类型。它一般是所有数据类型中最常用、相对比较简单、用硬件实现比较容易的几种。

如：定点数（整数）、逻辑数（布尔数）、浮点数（实数）、字符、字符串等，有些机器的数据表示复杂一些，除上面这些外，还设置有十进制、向量、堆栈等数据表示。

数据结构（Data Structure）是指由软件进行处理和实现的各种数据类型。数据结构研究的是这些数据类型的逻辑结构与物理结构之间的关系，并给出相应的算法。一般来说，除了数据表示之外的所有数据类型都是数据结构要研究的内容。

（注意数据表示和数据结构之间的区别）

第三章

1、流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段（stage），段与段相互连接形成

流水线。流水线的段数称为流水线的深度（Pipeline Depth）。

时间最长的段将成为流水线的瓶颈（Bottleneck of a Pipeline）。

2、非线性流水线（Nonlinear Pipeline）的特点是：有些段需要多次访问。其概念是：指各段

除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。存在反馈回路是称为非线性流水线的原因。

3、乱序流水线（out-of-order pipeline）又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。

4、书63页例题，计算吞吐率、加速比和效率（58页到62页的公式）

5、书65页，给出一个预约表，写出禁止表和初始冲突向量。

6、知道分成哪几个段，每段的名称，每段是做什么的。

IF段是取指；ID段是译码；EX段是执行；MEM段是存储器访问；WB段是写回。

流水寄存器

（IF：取指令周期；ID：指令译码/读寄存器周期；EX：执行/有效地址计算周期；MEM：存储器访问/分支完成周期；WB：写回周期）

7、相关的三种类型：数据相关（Data Dependence）、名相关（Name Dependence）、控制相关

（Control Dependence）。

8、流水线冲突（Pipeline Hazard）的分类：

结构冲突（Structural Hazard）：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突数据冲突（Data Hazard）：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结

果而发生的冲突。

控制冲突（Control Hazard）：流水线遇到分支指令和其它会改变PC值的指令所引起的冲突。

第五章

1、开发ILP的方法可以分为两大类：主要基于硬件的动态开发方法以及基于软件的静态开发

方法。

2、IPC是Instructions Per Cycle的缩写，其含义是每个时钟周期完成的指令条数。它是CPI

的倒数。

3、记分牌动态调度方法维护了三张表：指令状态表、功能部件状态表、结果寄存器状态表。

（分别用于记录指令的执行状态、功能部件状态、寄存器状态以及数据相关关系等。）

4、Tomasulo算法的核心思想是：①记录和检查指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，吧发

生RAW冲突的可能性减小到最少；②通过寄存器换名来消除W AR冲突和WAW冲突。

该算法重点解决的三种数据冲突是：RAW、W AR以及W AW。

（增加的两个重要部件是：保留站和公共数据总线）

第六章

1、关键路径（Critical Path）是指根据指令间相关关系构成的数据流图中延迟最长的一条路径。

2、软流水（Software Pipelining）技术的核心思想是从循环不同的迭代中抽取一部分指令（循

环控制指令除外）拼成一个新的循环迭代，以便将同一迭代中的相关指令分布到不同的迭代中，或将不同迭代中的相关指令封装到同一迭代中。

第七章

1、衡量一个存储体系的三个指标是：访问时间，容量，平均每位价格。

离CPU最远的存储器三个指标的变化为：速度最慢（即访问时间最长），容量最大，平均每位价格最低。

2、平均访存时间在书190页，知道公式中字母的含义。

3、组成三级存储系统的三个部分：Cache、主存、辅存。

Cache与主存层次主要解决主存速度问题；主存与辅存层次主要解决主存容量问题。

结构如下：

4、映像的三种规则：①全相联映像（Fully Associative）指主存中的任一块可以被放置到Cache

中的任意一个位置。②直接映像（Direct Mapping）是指主存中的每一个块只能被放置到Cache中唯一的一个位置。③组相联映像（Set Associative），在组相联映像中，Cache被等分为若干组，每组由若干个块构成。主存中的每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置。（它是直接映像和全相联映像的一种折中：一个主存块首先是直接映像到唯一的一个组上（直接映像的特征），然后这个块可以被放入这个组中的任何一个位置（全相联的特征））。

5、写策略的两种不同方法：①写直达法（Write Through），也称存直达法（Store Through），

特点：在执行“写”操作时，不仅把数据写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器；②写回法（Write Back），也称拷回法（Copy Back），特点：这种写策略只把数据写入Cache中相应的块，不写入下一级存储器。