衡水学院计算机体系结构资料整理
衡水学院计算机体系结构资料整理
衡⽔学院计算机体系结构资料整理历年试题整理版⼀、名词解释（每题3分，共15分）系列机：在⼀个⼚家⽣产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的⼀系列不同型号的机器。
强制性失效：当第⼀次访问⼀个块时，该块不在Cache中，需要从下⼀级存储器中调⼊Cache，这就是强制性失效。
失效率：CPU访存时，在⼀级存储器中找不到所需信息的概率。
定向技术：p101。
2透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某⼀⾓度来看⼜好像不存在的概念称为透明性。
堆栈型机器：每条ALU指令显⽰表⽰的操作数个数为0，运算结果的⽬的地是堆栈，访问操作数的⽅法是PUSH/POP失效开销：数据相关：当指令在流⽔线中重叠执⾏时，流⽔线有可能改变指令读/写操作的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们⾮流⽔实现时的顺序，将导致数据相关。
通道处理机：RAID：同构型多处理机：由多个同种类型、⾄少同等功能的处理机组成、同时处理同⼀作业中能并⾏执⾏的多个任务的机器。
计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
向量处理机：处理机具有向量数据表⽰，并通过向量指令对向量的各元素进⾏处理。
⼆、填空（每空1分，共20分）1、数据相关有三种：（写后读相关）、（写后写相关）和（读后写相关）。
2、从处理数据的⾓度，并⾏性等级可以分为：字串位串、（字串位并）、（字并位串）和全并⾏。
3、在存储层次中，映象规则有（p183）、（）和（）。
5、设有⼀个“Cache-主存”层次，Cache为4块，主存为8块；试分别对于以下2种情况，计算访存块地址为5时的索引（index）。
(1)组相联，每组两块；索引为（）(2)直接映象；索引为（）。
6、对向量的处理有（p123）⽅式、（）⽅式、（）⽅式。
7、根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为（p37）型指令集结构、（）型指令集结构和（）型指令集结构。
1、流⽔线相关有三种：（结构相关）、（数据相关）和（控制相关）。
计算机体系结构概述
第 1 章系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.从使用语言的角度，可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构，由高到低分别为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。
2.各机器级的实现方法：翻译（变换成低一级等效程序）或解释（仿真高级机器级语句或指令）3.通过多层次结构的观点可以得出，软件的功能可以由硬件实现，硬件的功能也可用软件模拟实现。
1.2计算机系统结构、组成与实现1. 透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到的。
2. 计算机系统结构指的是传统机器级的系统结构；它是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。
数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO结构、保护方式和机构。
2.计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。
它着眼于机器级内的各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。
近40年里，计算机组成设计主要围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度、以及功能的分散和设置专用功能部件来设计的。
(1)数据通路宽度；(2)专用部件的设置；(3)各种操作对部件的共享程度；(4)功能部件的并行度；(5)控制机构的组成方式；(6)缓冲和排队技术；(7)预估、预判技术；(8)可靠性技术。
3.计算机实现：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，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它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着主导作用。
4. 计算机系统结构、组成、实现三者互不相同，但又相互影响。
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读计算机体系结构是计算机科学与技术领域中的重要内容，它涉及到计算机硬件组成、计算机指令系统、计算机硬件和软件之间的交互关系等等。
本文将全面解读大学计算机基础知识中的计算机体系结构。
一、计算机体系结构的定义和作用所谓计算机体系结构，指的是构成计算机的各个硬件组成部分以及它们之间的连接方式、组织方式和功能。
计算机体系结构的设计和实现在计算机领域中起着重要的作用，它可以影响到计算机的性能、功耗、可靠性等方面。
二、计算机体系结构的组成1.中央处理器（CPU）CPU是计算机的核心部件，包括运算器和控制器两部分。
其中，运算器负责对数据进行运算和处理，而控制器负责指令的解析和执行。
2.存储器（内存）存储器用于存储计算机运行需要的数据和指令。
它分为主存和辅存两部分，主存存储运行中的数据和指令，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3.输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息的交互。
例如，键盘、鼠标、显示器、打印机等都属于输入输出设备。
4.总线总线是计算机中各个组件之间传输数据和控制信号的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
三、计算机体系结构的类型根据不同的组成方式和功能特点，计算机体系结构可以分为以下几种类型：1.冯·诺伊曼结构冯·诺伊曼结构是最早提出的计算机体系结构之一。
它采用存储程序的方式，将数据和指令存储在同一个存储器中，并通过控制器从存储器中依次取出指令进行执行。
2.哈佛结构哈佛结构与冯·诺伊曼结构相比，将指令存储和数据存储分开，分别使用独立的存储器。
这样的结构可以实现指令和数据并行处理，提高计算机的性能。
3.组合式结构组合式结构将冯·诺伊曼结构和哈佛结构相结合，兼具两种结构的优点。
它的存储器既可以存储指令，也可以存储数据，根据需要进行读取和处理。
四、计算机体系结构的发展趋势随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演变和改进。
计算机体系结构必考知识点
计算机体系结构必考知识点一、知识概述《计算机体系结构必考知识点》①基本定义：计算机体系结构呢，简单说就是计算机的各个组成部分，像处理器、内存、输入输出设备等，它们之间是怎么连接的，还有各自的功能怎么协同工作。
就好比一个足球队，每个球员（硬件组件）都有自己的位置（功能），教练（操作系统等软件）怎么安排他们配合踢球（协同工作），这就是大致的概念。
②重要程度：在计算机这个学科里，这可太重要了。
要是不懂体系结构，就好比你盖房子不知道怎么搭框架，那接下来的装修（软件开发之类的）就无从下手。
计算机系统的性能、功能等都和它有很大关系。
③前置知识：得有基本的数字电路知识，像什么是逻辑门之类的。
还有对计算机各个硬件部件有个简单了解，就像你得知道有CPU这个东西，它大致是干啥的。
如果之前学过计算机组成原理那就更好了，就像你是个盖房子的小工，盖了几次小房子（了解简单的硬件组合），再来盖大楼（学习体系结构）就容易些。
④应用价值：实际应用可多了。
比如说设计新的计算机芯片，要考虑体系结构。
像手机厂商想让手机运行得更快，还不那么耗电，那就得优化手机芯片的体系结构。
再比如说云计算中心设计大型服务器集群，也得按照合理的体系结构来，这样才能高效处理海量的数据。
二、知识体系①知识图谱：在计算机学科的大地图里，计算机体系结构是重要的一块。
它连接着计算机硬件底层，向上又影响着操作系统、软件应用的开发。
就好比它是城市里的交通规划（对计算机里的数据等流动起规划作用），其他的建筑物（软件等）得按照这个交通规划来建设。
②关联知识：和计算机组成原理关联紧密，组成原理就像是讲每个部件的详细构造，体系结构就是把这些部件组合起来看。
和操作系统也有很大关系，操作系统的运行依赖于计算机体系结构提供的环境。
就好像演员（操作系统）得在舞台（体系结构）上表演。
③重难点分析：掌握难度在于概念比较抽象，像多级存储体系结构，什么缓存、主存、外存的关系不好理解。
关键点在于要理解各个部件的交互原理。
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
计算机系统结构前四章知识总结
计算机系统结构前四章知识总结第一章计算机系统结构的基本概念1、层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。
每一级对应一种机器：第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分；第2级是传统机器语言及其；第3级是操作系统机器；第4级是汇编语言机器；第5级是高级语言机器；第6级是应用语言机器。
2、计算机系统结构：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。
但按照计算机层次结构，不同程序者所看到的计算机有不同的属性。
主要研究软件、硬件功能分配和对软、硬件界面的确定。
3、计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
4、计算机实现：是指计算机组成的物理实现。
5、透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。
6、由上往下设计（自上而下设计）：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。
7、由下往上设计（自下而上设计）：根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。
在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。
最后设计面向应用的虚拟机器级。
8、系列机：是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
9、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各挡机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。
10、兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
11、模拟：是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。
12、仿真：用程序直接解释另一种机器指令系统的方法。
13、虚拟机和宿主机：在A计算机上要实现B计算机的指令系统，通常采用解释方法来完成，即B机器的每一条指令用一段A机器的指令进行解释执行，如同A机器上也有B机器的指令系统一样，A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。
考研计算机体系结构知识点梳理
考研计算机体系结构知识点梳理计算机体系结构是计算机科学与技术中的重要分支，涵盖了计算机硬件和软件之间的接口设计、计算机系统的层次结构、指令集架构等内容。
考研中，对计算机体系结构的掌握是非常重要的，本文将对考研计算机体系结构的知识点进行梳理和总结。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构（Computer Architecture）是指计算机硬件与软件之间接口规格定义的集合，它包括计算机硬件的组成和工作原理，以及指令集架构和计算机系统的层次结构。
1.1 计算机硬件的组成计算机硬件由中央处理器（CPU）、存储器（Memory）、输入输出设备（I/O）等组成。
其中，中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和进行数据处理。
1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构包括硬件层次结构和软件层次结构。
硬件层次结构包括处理器、存储器、总线等组成部分；软件层次结构包括操作系统、编译系统、应用软件等。
1.3 指令集架构指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）定义了计算机系统的指令集合和指令的编码格式。
常见的指令集架构包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
二、计算机的性能指标在计算机体系结构中，常用的性能指标有时钟周期、时钟频率、执行时间和吞吐量等。
2.1 时钟周期和时钟频率时钟周期是指计算机系统中最小的时间单位，是计算机进行一次简单操作所需要的时间。
时钟频率是指计算机系统每秒钟进行时钟周期的次数。
2.2 执行时间执行时间是指计算机完成一个程序的时间，它等于指令执行的总周期数乘以时钟周期。
执行时间是衡量计算机性能的重要指标，通常以秒为单位。
2.3 吞吐量吞吐量是指计算机系统在单位时间内完成的任务数量。
吞吐量大表示计算机系统的处理能力强，可以同时处理更多的任务。
三、指令的执行流程计算机处理器执行指令的流程包括指令获取、指令译码、指令执行和结果写回等步骤。
3.1 指令获取指令获取是指计算机从存储器中获取指令的过程。
计算机体系结构概述
计算机体系结构概述计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的组织和交互方式。
它定义了计算机系统内部各个组成部分的功能、连接方式以及数据传输的路径等。
计算机体系结构的设计直接影响了计算机性能、可扩展性和能效等方面的表现。
本文将概述计算机体系结构的基本概念、发展历程和常见结构类型。
一、基本概念计算机体系结构是计算机系统的“蓝图”，可以将其比作大楼的设计图。
它包括了各个部分之间的功能划分、数据传输和操作方式等。
计算机体系结构主要由以下几个方面组成：1. 处理器：负责执行计算机指令，包括算术逻辑运算、控制逻辑和数据处理等功能。
2. 存储器：用于存储程序和数据。
常见的存储器有主存储器和辅助存储器，如内存和硬盘等。
3. 输入输出设备：用于与用户进行信息交互，如键盘、鼠标、显示器等。
4. 总线：用于连接各个组件之间的数据传输通路。
主要包括数据总线、地址总线和控制总线。
二、发展历程计算机体系结构随着计算机技术的发展而不断演变和完善。
以下是计算机体系结构的三个主要发展阶段：1. 单指令流单数据流(SISD)：早期计算机采用的体系结构，指令和数据都从单一的内存存取，处理器按照指令序列依次执行，没有并发操作。
2. 单指令流多数据流(SIMD)：在SISD的基础上，引入多个处理器核心，它们可以同时处理不同的数据，但执行的指令序列相同。
3. 多指令流多数据流(MIMD)：当前普遍采用的体系结构，具有多个独立的处理器核心，可以同时执行不同的指令和处理不同的数据。
三、常见结构类型根据计算机体系结构的特点和应用需求，发展出了多种常见的结构类型。
以下是几种常见的计算机体系结构：1. 冯·诺依曼结构：由冯·诺依曼于20世纪40年代提出的经典计算机结构。
它以存储程序的概念为基础，包含了用于指令和数据存取的存储器、算术逻辑单元(ALU)、控制单元和输入输出设备等。
2. 流水线结构：将指令执行划分为多个阶段，并行处理不同的指令。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机体系结构知识点汇总
计算机体系结构知识点汇总(总20页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统结构的经典定义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：指计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现：计算机组成的物理实现）2.计算机系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
4.编译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法（按系统并行度）进行分类。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)IS指令流，DS数据流，CS（控制流），CU（控制部件），PU（处理部件），MM，SM（表示存储器）7.计算机设计的定量原理：1.大概率事件优先原理（分配更多资源，达到更高性能）2.Amdahl定理：加速比：(Fe为可改进比例（可改进部分的执行时间/总的执行时间），Se为部件加速比（改进前/改进后）3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
计算机体系结构与组成基础知识
计算机体系结构与组成基础知识计算机体系结构与组成是计算机科学与技术领域中的基础知识之一。
它涵盖了计算机硬件和软件的结构和组成，以及它们之间的关系。
了解计算机体系结构和组成的基础知识对于计算机专业的学习和工作至关重要。
本文将介绍计算机体系结构和组成的基本概念和原理。
一、计算机体系结构的定义计算机体系结构指的是计算机内部各个组成部分之间的结构和连接方式。
它包括了计算机中的处理器、内存、输入输出设备等组件，以及它们之间的数据和控制信号传输方式。
计算机体系结构决定了计算机的计算能力、速度和可扩展性。
二、计算机组成的基本组件计算机组成是指计算机中各个硬件和软件组件的组织方式和工作原理。
计算机组成包括了中央处理器（CPU）、存储器（内存）、输入输出设备（键盘、鼠标、显示器等）、总线等。
中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和进行运算；存储器用于存储数据和程序；输入输出设备用于与计算机进行交互；总线是各个组件之间进行数据和控制信号传输的通道。
三、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的基础，它由冯·诺依曼于1945年提出。
冯·诺依曼体系结构的特点是将程序和数据存储在同一块内存中，并通过指令和数据流进行交替。
它还包括了存储程序、指令流水线、存储器层次结构等重要概念。
四、计算机指令集计算机指令集是计算机处理器能够执行的指令的集合。
指令集分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
复杂指令集包含了多种复杂的操作指令，可以完成较复杂的操作；精简指令集包含了一些简单的操作指令，但执行效率高。
常见的处理器架构包括x86、ARM等。
五、存储器层次结构存储器层次结构是计算机内存的组织方式。
它包括了高速缓存、主存和辅助存储器。
高速缓存是位于处理器内部的一块快速存储器，用于暂时存储频繁访问的数据和指令；主存是计算机的主要内存，用于存储程序和数据；辅助存储器是备份存储和长期存储数据的设备，如硬盘、光盘等。
计算机体系结构与基础知识
计算机体系结构与基础知识计算机体系结构是计算机科学领域中的一个重要概念，它涵盖了计算机硬件和软件之间的关系，以及计算机如何组织、执行和管理数据。
在现代社会中，计算机已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
了解计算机体系结构和基础知识对于我们有效地使用计算机和解决计算机相关问题至关重要。
一、计算机体系结构概述计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的组织结构和相互关系。
它由几个主要组成部分组成，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备和输出设备等。
1.中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行计算机指令和控制数据的流动。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元。
2.内存内存是计算机用于存储数据和程序的地方。
它分为主存和辅助存储器，主存是CPU可以直接访问的部分，而辅助存储器则用于长期存储和备份数据。
3.输入设备和输出设备输入设备用于将外部数据输入到计算机中，例如键盘、鼠标和扫描仪等；输出设备用于将计算机处理结果呈现给用户，例如显示器、打印机和音响等。
二、计算机组成原理计算机组成原理是计算机体系结构的基础，包括计算机硬件和软件之间的相互作用以及计算机指令的执行过程等。
1.指令集架构指令集架构定义了计算机的指令集和寄存器等硬件组件。
常见的指令集架构有CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）等。
2.数据通路和控制单元数据通路用于数据在计算机内部的传输，包括数据寄存器、数据总线和控制总线等。
控制单元则控制这些数据路径和指令执行的顺序和时序。
3.存储器结构存储器结构包括主存和辅助存储器，主存采用地址访问方式，辅助存储器则采用数据块存取方式。
存储器的组织和层次结构不同，对计算机系统的性能和功耗有重要影响。
三、计算机体系结构分类计算机体系结构可以根据硬件组成、指令集架构和并行性等因素进行分类。
1.冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机体系结构的基础模型，它采用存储程序的方式，程序和数据存储在同一内存中。
计算机体系结构基础知识要点梳理
计算机体系结构基础知识要点梳理计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的交互方式和组织方式。
在计算机科学领域中，对计算机体系结构的理解是非常重要的。
本文将梳理计算机体系结构的基础知识要点，以帮助读者更好地理解和应用这一领域的知识。
一、什么是计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口和交互方式。
它对计算机的功能、性能、能耗以及可扩展性等方面起到了决定性的影响。
计算机体系结构包括指令集架构、操作系统、内存管理、输入输出等方面的设计和实现。
二、指令集架构（ISA）指令集架构是计算机体系结构的核心之一。
它定义了计算机的指令集和指令的编码方式，决定了计算机能执行哪些操作。
常见的指令集架构有CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）。
CISC架构的指令较为复杂，可以执行多种操作，而RISC架构的指令较为简单，执行速度更快。
三、存储器层次结构存储器层次结构是计算机体系结构中的重要概念之一。
它由多级存储器组成，包括寄存器、缓存、内存和硬盘等。
存储器层次结构的设计目标是提高访问速度和存储容量，以及降低成本。
其中，寄存器是最快的存储器，但容量较小；缓存是位于CPU和内存之间的存储器，可以提高访问速度；内存是计算机主存储器，容量大但访问速度较慢；硬盘用于长期存储，容量最大但访问速度最慢。
四、处理器和流水线处理器是计算机体系结构中的核心部件。
它负责执行计算机指令，进行算术逻辑运算和控制数据流动等操作。
常见的处理器类型包括中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）。
流水线是一种提高指令执行效率的技术，它将指令执行过程划分为多个子操作，并通过多级流水线的并行处理方式，提高处理器的吞吐量。
五、总线和I/O系统总线是计算机体系结构中的重要组成部分，它用于连接计算机的各个硬件设备，传输数据和控制信息。
常见的总线包括数据总线、地址总线和控制总线。
I/O系统负责计算机与外部设备之间的数据交换和控制操作。
计算机体系结构总结
计算机体系结构重点1、并行线索：时间，空间的并行并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作2、资源重复，时间重叠，资源共享资源重复：通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。
（多处理机系统）时间重叠：多个处理过程在时间上相互错开，轮流、重叠地使用同一套硬件设备的各个部分。
（流水线）资源共享：软件方法，使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
（多道程序、分时系统）3、数据并行：字、位（1）流水线的指令并行（2）超流水线：细分时间（3）超标量流水线：重复设置流水线（4）向量机：流水线，数据并行（5）提高cache命中率（6）多机系统，线程级并行（CMP）4、局部性（1）存储系统原理（2）提高cache命中率（victim cache，伪相联cache）（3）cache有好程序（空间、时间局部性）有些去年的题都没有被老师的提纲点出来，崩溃了。
蓝色的没查到，晕了。
红色的太庞大，懒了。
-----------卖萌了by备（分章解读）一、概论1、计算机体系结构与组成原理，实现的关系，基本概念（兼容、模拟、仿真）层次：微程序语言、机器语言、（操作系统虚拟机）、<-解释的方法实现--------------用翻译的方法实现->汇编语言、高级语言、应用语言硬件逻辑优点：速度快虚拟机：由软件实现的机器，以区别于由硬件/固件实现的物理机器计算机系统结构：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：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器中的数据通道和控制信号的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：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。
计算机系统机构的研究对象：计算物理系统的抽象和定义；具体包括：数据表示；寻址方式；寄存器定义；指令系统；存储结构；中断系统；机器工作状态定义和切换；I/O系统；总线结构；系统安全与保密；结构、组成和实现三者关系：结构是计算机系统的软、硬件界面；组成是计算机系统结构的逻辑实现；实现是九三级组成的物理实现；软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各个机器上，而且所得结果一致；向上（下）兼容：低（高）档机器的目标程序不加修改就可以运行于高（低）档机器。
计算机系统结构基础知识要点梳理
计算机系统结构基础知识要点梳理计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的组织和交互方式，是计算机科学与技术的基础。
了解计算机系统结构的基础知识对于计算机专业学生和从事计算机相关工作的人员来说至关重要。
本文将梳理计算机系统结构的基础知识要点，帮助读者更好地理解和掌握这一领域的知识。
一、计算机的组成与功能计算机系统由硬件和软件组成。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入输出设备等，而软件包括系统软件和应用软件。
计算机的主要功能是数据的输入、处理、输出和存储。
1.中央处理器中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令并控制计算机的工作。
它由运算器和控制器组成，运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令。
2.内存内存是计算机用来存储数据和指令的地方，它可以分为主存和辅存。
主存是CPU可以直接访问的存储器，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3.存储器存储器用于存储计算机系统中的各种数据和信息，包括数据、指令和程序等。
根据存储介质的不同，可以将存储器分为内存和外存。
4.输入输出设备输入输出设备用于将数据从外部输入到计算机系统中，或将计算机系统中的数据输出到外部设备中。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
二、计算机的层次结构计算机系统可以按照功能和性能划分为多个层次，从底层到高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1.物理层物理层是计算机系统中最底层的层次，它负责处理计算机硬件和信号传输的问题。
包括处理器、存储器、总线等硬件设备，并规定了数据的传输方式和电信号的特性。
2.数据链路层数据链路层负责处理数据在链路上的传输和错误控制。
它将数据分组成帧，并对传输过程中的错误进行检测和纠正。
3.网络层网络层负责处理数据在不同网络之间的传输和路由问题。
它使用IP 地址来标识网络和主机，并通过路由选择算法确定数据的传输路径。
4.传输层传输层负责处理数据的传输可靠性和流量控制。
计算机体系结构基础知识概述
计算机体系结构基础知识概述计算机体系结构是计算机学科的基石，它研究计算机组织、功能和操作的结构。
在计算机科学的早期阶段，人们开始探索计算机体系结构的基础知识，并不断推动计算机技术的发展。
本文将对计算机体系结构的基础知识进行概述，包括计算机硬件、指令集体系结构以及存储层次结构等内容。
一、计算机硬件计算机硬件是计算机系统的物理组成部分，包括中央处理器（CPU）、主存储器、输入输出设备和外部存储器等。
中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和处理数据。
主存储器用于存储指令和数据，通过地址线和数据线与CPU进行通信。
输入输出设备用于和外部世界交互，包括键盘、鼠标、显示器等。
外部存储器主要用于长期存储大量数据，如硬盘、光盘等。
二、指令集体系结构指令集体系结构是定义了计算机的指令集和指令执行方式的规范。
它包括指令集的种类、指令的格式以及指令的执行机制等。
常见的指令集体系结构有CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）等。
CISC指令集拥有较多的指令和地址模式，可以在一条指令中完成复杂的操作，但其设计和实现较为复杂。
而RISC指令集则注重简洁和高效，通过减少指令的种类和格式，提高执行效率。
三、存储层次结构存储层次结构是计算机存储器的组织方式，将存储器按照速度、容量和成本进行分层次的组织。
存储层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
寄存器是位于CPU内部的最快的存储器，用于存储指令和数据。
高速缓存是位于CPU和主存之间的一级缓存，用于提高指令和数据的读写速度。
主存是指计算机内存条，用于存储运行中的程序和数据。
辅助存储器则是永久性存储介质，如硬盘、光盘等。
四、计算机体系结构的发展随着计算机技术的发展，计算机体系结构也在不断演进。
早期的计算机体系结构采用冯·诺依曼结构，即将指令和数据存储在同一存储器中，通过程序控制和数据传送来执行指令。
随着技术的发展，出现了多处理器体系结构、向量处理器体系结构和集群计算体系结构等。
计算机体系结构 完整讲义
2021年8月8日星期日
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一 按采用的基本器件分类
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现 4. 理解计算机体系结构的定义
5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
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计算机系统结构的定义 System Architecture
多指令流单数据流 MISD (Multiple Instruction stream Single Data stream)（较先进的流水线处理机，
如VLIW机）
多指令流多数据流 MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data stream)（多计算机系统）
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从设计人员看到的层次
• 应用程序级 • 高级语言级 • 汇编语言级 • 操作系统级 • 机器语言级 • 微程序控制级 • 硬联逻辑级
用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员
逻辑程序员 硬件设计员
2021年8月8日星期日
8
翻译(Translation)：先用转换程序将高 一级机器级上的程序整个地变换成低一 级机器级上可运行的等效程序（中间程 序），然后再在低一级机器级上去实现 的技术。
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（1） 画出处理过程的时空图；
（2） 计算其吞吐率、加速比和效率；
（3） 该流水线的瓶颈段是哪一段？可用哪几种方法消除该瓶颈？画出
改进后的流水线。
乘法
1
2
3
4
5
加法
解：本题解题的关键是弄清楚机器一共要做4次加法，3次乘法，而且应 进行适当的指令调度，以得到最大的吞吐率。
（1） 相应的时空图为：
（2） TP＝7/（23△t） E＝（5×7）/（6×23）＝35/138
2、存储器层次结构设计技术的基本依据是程序的（速度和容量）。 4、2：1 Cache经验规则是指大小为N的（p204）Cache的失效率约等于 大小为N/2的（）Cache的失效率。 6、从编译技术的角度来考虑，降低流水线分支损失的方法主要有 （p114）、（）和（）方法。
三、简答题（每题5分，共25分） 1、调度分支延迟指令有哪三种常用方法？它们各有什么优缺点。P116 2、表示寻址方式的主要方法有哪些？简述他们的优缺点。P5 3、简述“Cache-主存”层次与“主存-辅存”层次的区别。P182 4、试举例说明DLX流水线中存在不能依靠定向技术解决的数据相关及 其解决方法。 5、试从3C失效的关系分析增加块大小对Cache性能的影响。P201
解：首先可以观察到只有CPI改变了，而时钟频率和指令数保持不变。我 们先计算改进前系统的CPI：
CPIoriginal=
= ( 4 × 25%) + (1.33 × 75% ) = 2.0 我们可以用改进前的CPI减去由于改进FPSQR功能而减少的时钟周期 得到改进后FPSQR指令的CPI： CPIwith new FPSQR= CPIoriginal – 2%×( CPIold FPSQR – CPIof new FPSQR only) = 2.0 – 2% ×( 20 – 2) =1.64 我们也可以用同样的方法计算改进全部FP方案得到的CPI，或者也可 以将FP的CPI值和非FP的CPI值相加得到。利用后一种方法如下： CPInew FP = (75%×1.33) + (25%×2.5)
销） *时钟周期 =IC（（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率
*失效开销*时钟周期）） CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344IC CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC 相对性能比：5.36/5.344=1.003
五、（10分） 根据Amdahl定律写出系统加速比的公式； 某计算机系统有两个部件可以改进，这两个部件的加速比为：
部件加速比1＝30； 部件加速比2＝20； 如果部件1和部件2的可改进比例分别为30％和40％，求整个系统的加速 比。
六、（10分）给定以下的假设，试计算直接映象Cache 和两路组相联 Cache的平均访问时间以及CPU时间。 （1） 理想Cache（命中率为100%）情况下的CPI为2.0，时钟周期为 2ns，平均每条指令访存1.2次； （2） 两种Cache容量均为1KB，块大小都是32字节； （3） 组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10％； （4） 这两种Cache的失效开销都是40个时钟周期； （5） 命中时间为1个时钟周期； （6） 1KB直接映象Cache的失效率为13.3％，1KB两路组相联Cache的 失效率为10.5％。
=1.625 因为通过改进所有FP方案所带来的CPI更小，所以这种方案的性 能更好。改进全部FP的加速比是：
。
五、（8分）在处理器N=8的Omega网络中，实现置换∏＝（0，1，3， 2，5，6，7）（4），画出其开关的设置，指出被阻塞的开关。
六、（7分）考虑一个拥有4个处理机的UMA系统，每个处理机都有一个写 回Cache（write-back Cache），对于下列事件序列，写出该系统使用写 作废（write invalidate）协议时Cache的值和状态。 （1） 处理机0读地址1000H单元的值12H； （2） 处理机2向地址1000H单元写数据34H； （3） 处理机1读地址1000H单元的值； （4） 处理机0向地址1000H单元写数据56H； （5） 处理机3读地址1000H单元的值； （6） 处理机1向地址1000H单元写数据78H； （7） 处理机1读地址1000H单元的值。 解：
四、（6分）指令的动态调度有哪两种方法？二者的核心思想各是什 么？ 答：1、记分牌的核心思想：允许暂停之后的指令提前处理（译码→发 射指令和读取操作数）
允许乱序执行，从而乱序完成； ID段检测所有的结构相关。 2、Tomasulo算法的核心思想： (1) 分布的阻塞检测逻辑机制； (2) 消除了数据的写后写和先读后写相关导致的阻塞
透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又 好像不存在的概念称为透明性。
堆栈型机器：每条ALU指令显示表示的操作数个数为0，运算结果的目的地 是堆栈，访问操作数的方法是PUSH/POP
失效开销： 数据相关：当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操
作的顺序，使得 读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺 序，将导致数据相关。 通道处理机：
1、 写出三级Cache的平均访问时间的公式。 解：平均访存时间 ＝ 命中时间＋失效率×失效开销 只有第I层的失效时才会访问第I＋1 设三级Cache的命中率分别为HL1、 Hl2、 HL3，失效率分别为Ml1、 Ml2、ML3，第三级Cache的失效开销为PL3。平均访问时间TA ＝HL1 ＋Ml1{Hl2＋Ml2(HL3＋ML3×PL3)} 2、软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？ 3、试从目的、技术途径、组成等3个方面对同构型多处理机和异构型多 处理机作一简单比较（列表）。P22 5、降低Cache失效率有哪几种方法（至少写出5种）？5.3
四、（20分）有一条静态多功能流水线由5段组成（见下图），加法用
1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t，其余各段时间
均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水
线寄存器中。若在该流水线上计算
f＝（A1+B1）*（A2+B2）
*（A3+B3）*（A4+B4）,（3）
一、（10分）已知有以下的测量结果： FP指令（不包括FPSQR指令）的执行频度＝25％ FP指令的平均CPI＝4.0 其它指令的平均CPI＝1.33 FPSQR指令的执行频度＝2％ FPSQR指令的CPI＝20 假设有两种改进方案，其中方案一是将FPSQR指令的CPI降到
2，方案二是把FP指令的平均CPI降至2.5。试运用CPU性能公式比较 这两种改进方案的优劣。
RAID： 同构型多处理机：由多个同种类型、至少同等功能的处理机组成、同时处理
同一作业中能并行执行的多个任务的机器。 计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能 特性。 向量处理机：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元 素进行处理。
二、填空（每空1分，共20分） 1、数据相关有三种：（ 写后读相关）、（ 写后写相关 ）和（ 读后写 相关 ）。 2、从处理数据的角度，并行性等级可以分为：字串位串、（ 字串位 并）、（字并位串）和全并行。 3、在存储层次中，映象规则有（ p183）、（ ）和（ ）。 5、设有一个“Cache-主存”层次，Cache为4块，主存为8块；试分别对于 以下2种情况，计算访存块地址为5时的索引（index）。(1)组相联，每 组两块；索引为（ ） (2)直接映象；索引为（ ）。 6、对向量的处理有（p123）方式、（）方式、（）方式。 7、根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为（p37）型指令集 结构、（）型指令集结构和（）型指令集结构。 1、流水线相关有三种：（ 结构相关 ）、（ 数据相关 ）和（ 控制相 关 ）。 2、从执行程序的角度看，并行性等级可以分为：(p18 )、（）、（）和 作业或程序级并行。 3、在存储层次中，常用的替换算法有（p187）、（）和（）。 4、计算机系统中提高并行性的技术途径有（p19）、（）和（）三种， 在高性能单处理机的发展中，起主导作用的是（）这个途径。 5、按照产生失效的原因不同，可把失效分为（p198）失效、（）失效 和（）失效三类。 3、按照流水线所完成的功能来分，流水线可分为（p79）和（）。 4、直接映象cache的访问速度比两路组相联cache要快1.04倍，而两路组相 联Cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍。因此这里选择两路组 相联。
五、将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时 间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个
系统的性能提高多少？（5分）系统加速比 = 1.56
1、给出减少Cache失效开销的三种方法，并简述其基本思想。5.2 2、数据相关有哪几种类型？解决数据相关有哪些主要方法？p100 5、写出伪想联Cache的平均访存时间公式（设伪命中Cache需2个额外的 周期）p207
1、任写出三种Cache的优化技术，并简述其基本思想。P212-p214 2、在指令集结构设计中，应该考虑哪些主要问题？p44 4、试以系列机为例，说明计算机体系结构、计算机组成和计算机实现 三者之间的关系p6-8 1、计算机体系结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？ 并说出它们的含义。P15 ？ 4、按照产生失效的原因不同，Cache失效可以分成哪三类？各是什么含 义？p198 5、解决多处理机系统中的Cache一致性问题可采用哪些方法？叙述它们 的优缺点。
1000:34H,1000:34H,
2、（15分）假定Cache的失效开销为50个时钟周期，当不考虑存储器停 顿时，所有指令的执行时间都是2.0个时钟周期，访问Cache失效率为 2%，平均每条指令访存1.33次。求没有Cache和有Cache两种情况下的平 均指令执行时间。