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。一般向上兼容。前后兼容：指按系列机投放市场先后，实现软件兼容。一般向后兼容。

模拟：用机器语言解释实现程序移植的方法； （用机器语言，程序在主存储器）

仿真：直接用微程序去解释另一种机器的指令系统；

（用微程序，程序在微程序存储器）

1

2、Amdahl （定律加速比公式）

S=-

j f Fi 、 （1-迟 F M IFL |

Fi :可改进比例 Si :部件加速比

应用见大题；

3、计算机体系结构设计的主要方法（三个方面。软硬件平衡） （1） 确定用户对计算机系统的功能、价格和性能要求 （2） 软、硬件平衡：性价比与实现的难易程度 （3） 系统结构设计应符合今后发展方向 IC*CPI

时钟频率，CPI ，平均CPI ，MIPS ）

5、 冯诺依曼计算机（顺序执行（串行执行） ，程序存储，集中控制，以

ALU 为核心）控制流计算机

⑴以ALU 为中心

（2） 在存储器中，指令和数据同等对待

（3） 存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个存储单元的位数是固定的 （4） 指令是顺序执行的 （5） 指令由操作码和地址码组成

（6） 指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算

6、 体系结构分类方法（Flynn 分类法：指令流，数据流，多倍性）

Flynn ：按指令流和数据流的多倍性进行分类。

指令流：机器执行的指令序列 数据流：由指令流调用的数据序列

多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目

SISD （单指令流单数据流（缩写））：传统的顺序处理计算机、标量流水线处理机 SIMD :阵列处理机、向量流水线处理机、相联处理机 MISD : 无

MIMD :大多数多处理机和多计算机系统；

（处理机之间相互作用程度高，紧密耦合）

7、 非冯诺依曼计算机（数据流驱动、需求驱动）

二、流水线（并行概念）

1流水线基本概念（如何实现并行、多个取指、分析、执行部件） （1） 流水线：加快指令的解释过程，提高指令的并行性 （2） 如何实现：（重叠技术）

取指分析子过程在指令分析器里完成，执行子过程在执行部件实现。这两个部件是独立的。如果分析子

过程所需时间=执行子过程所需时间（分析周期 =执行周期），那么执行部件里处理第 n 条指令的执行子 过程时，分析器里处理的是第 n+1条指令的分析子过程。

2、先行控制技术（预处理、缓冲），锁存技术

4、计算机体系结构的评价标准（

CPU 时间

CPI :

n

CPI 八（CPI i *

i 1

（IC :指令数; CPI :每条指令周期）

（1）先行控制技术：缓冲+预处理技术结合；通过对指令流和数据流的先行控制，尽量使指令分析部件和执行部件处于忙碌状态。

（2）缓冲技术：在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑他们的工作（3）预处理技术：预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。

3、指令并行的空间并行和时间并行性：时空图*****主要见大题

时钟周期

\

指令

123456789

指令k IF ID EX MEM WB

指令k+1IF ID EX MEM WB

指令k+2IF ID EX MEM WB

指令k+3IF ID EX MEM WB

指令k+4IF ID EX MEM WB

指令周期取处存处修改

IF （取指令周期）存储器指令寄存器IR PC+=4

ID （指令译码/读寄存器周期）IR寄存器编号、通用寄存器组读出操作数

EX （执行/有效地址计算周期）---

MEM （存储器访问/分支完成周期）存储器（load指令）（store指令）存储单元PC （分支指令）WB （写回周期）通用寄存器组

IF-MEM可能冲突

ID-WB可能冲突

4、线性流水线（动静态）的性能分析（加速比、吞吐率、效率、瓶颈）

（1）静态流水线：在同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作

（2）动态流水线: -------------------------------------- 可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能

（3）线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路

（4）非线性流水线: --------------------- ，还有反馈回路

（5）吞吐率（TP ）：单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量

实际吞吐率：TP二n（厶t j为最慢的一段时

间）

a 兀（n— 1）'：t j

（6）加速比（S）：完成同样一批任务，不用流水线所用时间与使用之比

m

n •为如

实际加速比：S二------- U（厶.为最慢的一段时间

'•弋（n—1）'t j

i *

（7）效率（E）：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比

TP

n（任务数）

Tk（完成n个任务所用时

1 _______

max( U , %)

nk

k n -1

（流水线各段时间相等）

S max

nk

二lim ------- 二k

n r k n T

（流水线各段时间相等）