第一章：計算機體系結構的基本概念

1.存儲程序計算機（馮諾依曼）：4部分

????????????????運算器（用于完成數值運算）

????????????????存儲器（用于存儲程序和數據）

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

????????????????控制器（根據程序形成控制序列，完成對數據的運算）

? 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）和數據放在同一存儲器中

????????（3）存儲器事按地址訪問的，線性編址空間。

????????（4）控制流由指令流產生。

? ? ? ? （5）指令由操作碼和地址碼組成。

? ? ? ? （6）數據以二進制代碼表示。

2.程序員所看到的機器屬性：

? ? ? ? （1）數據表示，硬件能直接辨認和處理的數據類型。

? ? ? ? （2）尋址規則，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，數量，使用方式。

? ? ? ? （4）指令系統，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。

? ? ? ? （5）中斷系統，中斷的類型和中斷響應

? ? ? ? （6）機器工作狀態的定義和切換，如管態和目態

? ? ? ? （7）存儲系統，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結構，包括i/o連接方式，處理機/存儲器與i/o設備數據的傳送方式和格式及i/o操作的狀態

??3.計算機體系結構包括計算機系統設計的三個方面：

? ? ? ? 計算機指令系統

? ? ? ? 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完成兩種或者兩種以上性質相同或者不相同的工作。（把兩個或多個事件在同一時刻發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發生的并行性交錯并發性）

5.提高并行性的技術途徑：

? ? ? ? （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）總執行時間/（改后）總執行時間

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=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/時鐘頻率

? ? ? ? CPI（指令時鐘數）=總時鐘周期數/IC（指令數）

第2章? 指令系統?

1，指令系統結構的分類：

? ? ? ? 堆棧型結構：

? ? ? ? 累加器結構：

? ? ? ? 通用寄存器結構：根據操作數不同又細分。RM型（寄存器-儲存器型操作數可來自存儲器）RR型（寄存器-寄存器結構操作數都來自通用寄存器）

2，設計指令的基本準則

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

? ? ? ? 規整性：所有指令系統相關的存儲使用，操作碼的設置是對稱的，不同操作數類型，字長，和數據存儲單元，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。相互獨立

? ? ? ? 高效性：指令執行的速度快，使用頻度高。

? ? ? ? 兼容性：實現向后兼容，指令系統可增加新指令。

3，RISC指令：盡可能把指令系統簡化，指令條數少，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。存在（1）指令頻度相差懸殊（2）指令系統龐大，條數太多，太復雜占用大量cpu面積，成本高（3）操作繁瑣，規整性不好的問題

? ? ? ? ? ? ? ??

4，指令操作碼設計

? ? ? ? 例：

?解答：

?

第三章：流水線技術

1，流水線技術及特點：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行。

? ? ? ? 特點：（1）流水由多個相關聯的子過程組成，每個過程稱為流水的“級”或“段”。段數稱為“深度”或“流水深度”。（2）每個子過程由專用的功能段實現。（3）各段的時間應盡量相等（4）流水線需要有通過時間，此后進入穩定狀態。（5）流水技術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，靜態流水（各段按同一功能的連接方式工作）和動態流水（一些段實現某種運算，另一些段實現其他運算）。

? ? ? ? 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。（有無向量數據表示）

? ? ? ? 5，線性流水和非線性流水。（有無反饋機制）

3，MIPS流水線改進：

簡單的數據通路：

增加數據寄存器：

增加定向路徑：

優化分支：

4，流水性能分析：

? ? ?吞吐率：是單位時間內流水線所完成的任務數或輸出結果數量。

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

? ? ?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）

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

? ? ? ? 結構相關：指令在同步重疊執行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求。

? ? ? ? 數據相關：當前一條指令需要用到前面指令的執行結果，而這些指令都在流水折疊執行。

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

6，數據相關分類

????????寫后讀相關：讀的操作先于寫，導致讀到不正確的值。

? ? ? ? 寫后寫相關：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：本應該先讀后寫，結果寫快了，讀到的數據是后來新寫進去的值發生錯誤。

7，定向技術:某條指令產生一個計算結果之前，其他指令并不真正需要這個計算結果，如果能夠將該計算結果從其產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時，在流水上可以疊加執行則為指令并行。

2.循環展開：將循環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。

? ?動態調度：通過硬件重新安排指令的執行順序，調整相關指令實際執行時的關系減少空轉。

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

5.Tomasulo算法：

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

? ? ? ? 換名功能由（保留站的編號）來完成的要擴充Tomasulo算法支持前檐執行，需將Tomasulo算法中寫結果段分為（寫結果）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:

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

? ? ?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：調節cache塊的大小，提高相聯度，Victim cache，硬件預取，編譯優化

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

???（3）減少cache命中時間：用小容量結構簡單的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。

? ? ? ? 全相聯映射：主存塊可以被放置到任意一個cache塊位置

? ? ? ? 組相聯映射：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

1.I/O系統可以通過（響應時間）和（可靠性）參數衡量其性能

2.磁盤陣列

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

? ? ? ? RAID1：數據采用鏡像，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”，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，根據指令與指定的外設進行連接

? ? ? ? ? ? ? ? 2執行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束時進行的操作

? ? ? ? ? ? ? ? 5檢查外設的工作方式

? ? ? ? ? ? ? ? 6在傳輸數據過程中完成必要的數據格式變換。

選擇題：

1，從計算機系統結構來看，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

2，計算機系統結構不包括（C）

????????A.機器工作狀態? ? ? ? B.信息保護

? ? ? ? C.主存速度? ? ? ? ? ? ? ?D.數據表示? ? ? ??

3，多處理器實現的并行主要是（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執行程序的速度比CISC要快的原因是（A）

A.RISC的指令平均執行周期數少? ? ? ? B.RISC的指令系統中指令條數較少

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.交叉存取數據及奇偶校驗信息于所有磁盤上

6.i/o數據不經過cpu內部寄存器的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.當計算機系統通過執行通道程序完成i/o工作時，執行通道程序的是（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.字節多路通道或選擇通道? ? ? ? ? ? ? ? B.字節多路通道或者數組多路通道

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

總結

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