计算机系统结构(复习)

流水线 •概念 •特点 •分类 •性能 15
第4章 流水线计算机设计技术
流水线的吞吐率
TP n ( k n 1) t
•各段时间相等的
n 1 TP max Lim n ( k n 1) t t
TP n
•存在瓶颈段的
t
i 1
k
i
( n 1) max(t 1, t 2, , tk )
•二次重叠方式
取指k 分析k 取指k+1
执行k+1 分析k+2
执行k+2
•增设指令缓冲器的一次重叠方式
分析k 执行k 分析k+1
执行k+1 分析k+2
执行k+2
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第4章 流水线计算机设计技术
相关及处理 控制相关 •相关 数据相关 指令相关 主存数据相关 寄存器数据相关 后推、相关专用通路 基（变）址相关
动态互连网络
•总线方式 •交叉开关互连方式 •多级互连网络
多级互连网络的三个量
•交叉开关
直连、交叉、上播、下播 两功能交换单元、四功能交换单元
•拓扑结构 •控制方式
级控制、部分级控制、单元控制
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第五章 并行处理技术
多级互连网络 •多级立方体网络 STARAN网 –交换网络：级控制 –移数网络：部分级控制 二进制n方体网络：单元控制 •多级混洗交换网络（Omega网络） 四功能交换单元、单元控制 如将交换单元限制为两种功能且采用级控制则为STARAN的 逆网络 •多级PM2I网络 23
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第三章 存储系统（体系）设计
虚拟存储器的三种管理方式 •段式、页式、段页式
•掌握多用户虚地址变换成主存实地址的方法
页面替换算法 •RAND、FIFO、LRU、LFU、OPT
•哪些属于堆栈型替换算法
提高等效访问速度（加快地址变换）的方法 •目录表：用高速小容量相联存储器存放部分页表（已装入主 存的）。 •快慢表法 •散列函数法 11
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第六章 向量处理机
提高向量处理性能的常用技术 •多功能部件的并行操作 无向量寄存器冲突和功能部件冲突 •链接技术 利用对向量寄存器的先写后读相关
•加快条件语句和稀疏矩阵的处理 向量屏蔽技术、利用指标向量的散射与聚合操作 •加快向量的归约操作 分解成可向量化部分和递推求和部分（采用折叠求和方法） 向量流水处理机性能参数 •R∞、n1/2 、nv
第三章 存储系统（体系）设计
Cache存储系统与虚拟存储系统的比较
•目的 •实现方法 •两级存储器速度比 •页(块)大小 •等效存储容量 •透明性 •命中时处理方式 •采用器件 •第二级存储器与CPU通路
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第三章 存储系统（体系）设计
主存内容的更新算法 •写直达法(Write-Through), •写回法(Write-Back) 写Cache不命中时的取策略 •不按写分配法 •按写分配法 预取算法：使用之前就预先取入Cache •恒预取：访问第i块的信息时，预取第i+1块 •不命中时预取：访问第i块不命中时，取i块同时预取第i+1块 •
互连网络的设计准则
•通信工作方式
同步、异步
•控制策略
集中、分散
网络特性
•结点度与网络直径 •聚集带宽与等分带宽 •数据寻径功能
•交换方式
线路交换、分组交换
•网络拓扑
静态、动态
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第五章 并行处理技术
静态互连网络
•线性阵列 •环和带弦环 •循环移数网和全连接 •树型和星型 •胖树型 •网格型和环网型 •超立方体 •带环超立方体 •K元n-立方体
第六章 向量处理机
向量流水处理的特点（适合流水处理） •元素相互独立无关，各元素执行同一种操作 •一条向量指令相当于一个标量循环，减少了控制相关。 •向量元素相邻，适合采用多体交叉（低位）存储器。 向量流水的处理方式 •横向、纵向、纵横向 向量处理机的基本结构 •存储器-存储器、寄存器-寄存器 向量指令 •向量-向量、向量-标量、向量-存储器、归约、聚集-散射、屏 蔽
•自定义（Self-defining）数据表示
标志符数据表示 数据描述符数据表示
•向量数据表示
•堆栈数据表示 3
第二章 数据表示与指令系统
程序定位技术 •直接定位 •静态重（再）定位 •动态重（再）定位
指令格式的优化设计 •主要目标： 节省程序存储空间 指令格式尽量规整，便于译码 • 研究内容： 操作码的优化表示 地址码的优化表示 4
TPmax
1 max( t1, t 2, , tk )
•瓶颈段的消除方法
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第4章 流水线计算机设计技术
线性流水线性能分析
•吞吐率、效率、加速比
•公式法、时空图法
非线性流水线调度
•解决的问题 •预约表→禁止向量→原始冲突向量→流水线状态图→全部调 度方案→选取符合要求的方案
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第二章 数据表示与指令系统
操作码的优化表示 •等（定）长编码 n log2 N 格式最规整、冗余最大 •Huffman编码 最小概率合并法 冗余最小、格式最不规整 •扩展编码 等长扩展、不等长扩展 X-Y-Z、X/Y/Z 冗余和规整性都界于等长编码和Huffman编码之间 5
第二章 数据表示与指令系统
指令字格式的优化
•不同的寻址方式 •不同的地址制 •不同的地址形式和长度 •多种指令字长
指令系统优化设计的两种方向：
• 复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer) • 精简指令系统RISC(Reduced Instruction Set Computer)
•时间重叠、资源重复、资源共享
SIMD并行处理机 •分布式存储器结构
•集中式共享存储器结构
•处理单元阵列（PE）、标量处理机、阵列控制部件、主机、 互连网络 20
第五章 并行处理技术
阵列处理机的并行算法
•矩阵加、矩阵乘、累加和
单级互连网络
•Cubei •PM2I •Shuffle-Exchange •Butterfly
第一章 计算机系统结构基础
•计算机系统设计的定量原理 只加速使用频率高的部件、Amdahl定律（会应用该定律 解决实际问题）、程序访问的局部性规律 计算机系统结构的分类 •Flynn分类法
依据、分类、特点、典型机器的归类
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第二章 数据表示与指令系统
数据类型、数据表示与数据结构 •数据类型：数值+操作。数据表示+数据结构； •数据表示：计算机硬件可直接识别和引用的数据类型。 •数据结构：结构数据类型的组织方式；软件识别的数据类型。 常用高级数据表示方法：
第4章 流水线计算机设计技术
先进流水技术—动态调度
•集中式—记分板机制
•分布式—Tomasulo方法
指令级高度并行的超级处理机
•超标量处理机 •超流水线处理机 •超标量超流水线处理机
•超长指令字处理机
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第五章 并行处理技术
并行性的基本概念 •并行性与并行处理
•同时性与并发性
•并行性颗粒度 并行性技术的实现途径
空间局部性
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第三章 存储系统（体系）设计
存储系统的性能参数
•等效访问时间 • Ta＝HT1＋(1－H)T2 •访问效率
T1 T1 1 e f (H , r) T2 Ta H T 1 (1 H ) T 2 H (1 H ) T 1
复杂的存储系统
I-Cache CPU D-Cache •Ta= fi(HiTc+(1- Hi)Tm)+(1- fi)( HdTc+(1- Hd) Tm) 主存储器
第4章 流水线计算机设计技术
流水机器的相关处理 •局部相关 种类：RAW、WAR、WAW、RAR（顺序、乱序流动中的区别） 解决方法：后推、相关专用通路 •全局相关 分支预测：静态预测、动态预测 加快和提前形成条件码 延迟转移 加快短循环处理 •中断处理 不精确断点 精确断点 18
H 1 1 H H n 1 n n
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第4章 流水线计算机设计技术
指令的解释方式
•顺序方式 取指令k 分析k 执行k 取指令k+1 分析k+1 执行k+1 • 一次重叠方式
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1 取指k+2 分析k+2 执行k+2 执行k 分析k+1 取指k+2
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第二章 数据表示与指令系统
RISC的先进技术 •流水线技术
延迟加载指令（load）
延迟转移技术 •优化编译技术
数据相关
延迟加载指令（load） •重叠寄存器窗口技术 作用、原理
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第三章 存储系统（体系）设计
存储系统的基本概念
•由多种不同存储器件构成，在OS和辅助硬件管理下成为完整 的整体，以满足容量、速度、价格的要求。 •依据程序访问的局部性原理 时间局部性
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第三章 存储系统（体系）设计
提高命中率方法 •预取技术：不命中时，把M2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都 取出来送入M1存储器中。P49(2)。会计算
1 H H n 1 H 1 交叉访问存储器 n n
•
•高位交叉
•低位交叉（分时启动方式） •并行主存系统 虚拟存储器 •地址映象 •地址变换
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可能的考试题型
名词解释 选择 填空 简答 计算 •Amdal定律计算 •指令格式设计 •存储器地址变换、等效访问时间 •流水线性能计算（线性、非线性） •向量链接 •互联函数 •…… 28
第一章 计算机系统结构基础
计算机系统结构、组成与实现 •计算机系统的多级层次结构 •虚拟机、透明性、软/硬件功能的等价性 计算机系统的性能评价 •CPI
•TCPU = IN×CPI×Tc
•MIPS和MFLOPS •基准测试程序（benchmark）
算术平均值Am
调和平均值Hm 几何平均值Gm 1