2022年计算机系统结构复习总结 2.pdf
第一章1、计算机系统结构：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与功能特性。透明性 : 一种本来存在，有差异的事物和属性，从某种角度上看又好像不存在的现象，被称为是“透明性”2、 计算机系统结构、组成与实现三者区别：（1） 计算机系统结构-机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。（2） 计算机组成-计算机系统结构的逻辑实现。（3）计算机的实现-指其计算机组成的物理实现。3、计算机按系统的结构分类通常有三种方法：弗林(FLYNN) 分类法指令流：指令的传送序列。数据流：数据传送、加工的序列。多倍性：在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。4、计算机系统的设计原则: (一) 加速那些使用频率高的部件提高整个计算机性能(二) Amdahl 定律（三）程序访问局部性原理Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。加速比 =采用改进措施后的性能 /采用改进措施前的性能如果系统性能用执行某任务的时间来表示：加速比 =采用改进措施前执行某任务所用时间/采用改进措施后执行某任务所用时间Amdahl 定律可表示为： Sp = Te/ T0 T0= Te(1 fe + fe /re)Sp：加速比；Te：采用改进措施前执行某任务系统所用的时间；T0：采用改进措施后所需的时间；fe：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例,改进前可改进部分占用的时间/改进前整个任务执行时间，总是小于 1；re: 性能提高的倍数 ,改进前可改进部分占用的时间/改进后改进部分的时间，总是大于1。例 1：运行 60s的程序中，有 20s 的运算可加速，则： fe=20/60=33.3%例 2： 系统改进后执行程序， 可改进部分花费时间为2s， 改进前改进部分花费时间为5s,则：re=5/2=2.55、CPI: 执行每条指令所需的平均时钟周期数CPI= 执行整个程序所需的CPU时钟周期数 /程序中指令的总数IPS: 含义是每秒执行的指令条数。MIPS: 以百万来计量。MFLOPS: 指每秒百万次浮点操作次数。持续性能：通过实际测试得到的，即实际值。7、性能评价结果数据的处理方法:算术性能平均法 : 几何性能平均法 : 调和性能平均法 :6、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页第二章1、软件兼容性：同一个软件可以不加修改的运行于体系结构相同的格挡机器上，而且运行结果一样，差别只是运行时间不同向后兼容：在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上向上兼容：在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上2、数据类型：用户定义的数据系统数据指令数据数据表示：基本数据表示、浮点数据表示、自定义数据表示、向量数据表示3、自定义数据表示：由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。分类：带标志符的数据表示数据描述符带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连，存在同一存贮单元内。优点： （1）简化了指令系统。 （2）容易检出程序编制中的错误。（3）简化了编译程序。 （4）支持数据库系统。 （5）简化了程序设计。 （6）便于软件测试，支持应用软件开发。缺点 : （ 1）数据字长增加。 （2）降低了指令的微观执行速度。（3）与其他计算机的兼容性差，硬件复杂。第二章指令系统数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等，描述符专用来描述所要访问数据的特性，它和数据字分开存储，机器经描述符形成访问每个元素的地址及其他信息，增加一级以上寻址，（描述符或数据字）而数据字本身又是带标志符数据表示。与带标志符数据表示不同之处：标志符要与每个数据相连，两者合存在一个存储器单元中；而描述符则和数据分开放；要访问数据集中的元素时，必须先访问描述符，这就至少要增加一级寻址；描述符可看成是程序一部分，而不是数据一部分，因为它是专门来描述要访问的数据的特性。5、指令系统中指令编码方法：（1）正交法指令中的每个分段（包括操作码、操作数地址等）相互独立，操作数地址的编码同操作码无关，反之亦然。优点：对流水机特别适用，微程序控制数量减少。（2）整体法：指令中各个分段在译码时相互有关，操作码同操作数地址的分界线并不清楚。优点： 可以把使用频度高的操作码同操作数地址码组合起来，加以缩短优化， 而使用频度低的可以较长些,这样可以节省存贮容量。缺点：在用微程序控制时，微程序数量较多，需要有较大的微程序存贮器。（3）混合法这种方法把上两种方法的优点结合起来。6、程序定位方式：程序定位是把指令和数据中的逻辑地址转变成主存物理地址的过程，有三种方法：直接定位方式、静态定位方式、动态定位方式7、精简指令系统计算机（RISC ）主要特征1)指令格式简单化、规整化（寄存器-寄存器型）2)基本是单周期操作（指令功能和执行周期权衡选择）3)分开的存取指令数据，引入多级Cache4)面向寄存器堆的结构5)充分提高流水线效率（用各种技术减少相关阻塞）6)采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）7)采用优化编译技术，很好地支持高级语言复杂指令集计算机（CISC ）特点：指令的控制执行是采用微程序控制技术，有专用的寄存器。控制器十分复杂，占用了大量CPU芯片面积，有些复杂指令用的很少，难以用优化编译生成高效目标代码。处理器的执行效率不高。指令系统与软件之间语义差别越来越大，软件设计任务十分繁重，整个设计风格不是十分经济有效的缺点：指令系统庞大硬件复杂执行速度低编译程序复杂、长部分指令使用效率低RISC特征：某些指令以硬连线来实现，并能在一个时钟周期执行完；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页CISC特征：用微代码实现，需要2-3 个时钟周期的执行时间，有多种寻址方式，多种指令长度，为数不多的通用寄存器。8、RISC设计思想的起源：20%-80%定律系统设计中硬件和软件之间折衷VLSI工艺技术发展RISC的主要技术（一）流水线结构和指令调度RISC主要特点之一是充分提高流水线效率。（二）寄存器窗口：就是把整个寄存器组分成很多小组，每个过程分配一个寄存器小组，当发生过程调用时，自动地把CPU转换到不同的寄存器小组使用，不再需要作保存和恢复的操作，这个寄存器小组就叫做寄存器窗口，相邻的寄存器窗口间有部分是重叠的，便于调用参数传送。RISC 有八个寄存器窗口，代表八个过程，重叠窗口之间构成类似环形缓冲器，窗口之间转换时通过改变硬件指针内容实现，当超过八个过程调用时，将一个窗口内容传送到内存，以腾出一个窗口，返回时，再一个个返回。优点：显著减少过程调用和返回执行时间、执行的指令条数和访问存储器的次数。（三）优化编译技术RISC 机中所采用的编译技术突出了两点：一是如何最佳分配寄存器堆中的寄存器，使数据有效地减少对存储器的访问；二是设法对程序中的指令序列在保持原来语义基础上进行重新排序和调度，进行并行性的开发。优点：RISC指令系统条数少，简单对称，这减轻了编译程序的负担.；RISC寻址方式简单，只有LOAD和 STORE 指令访问存储器。其它操作均在通用寄存器中进行，这简化了寻址方式和访存操作；大多数指令在一个周期内完成，为优化编译器进行调整指令流序列，减少相关，提高并行度带来了方便；第三章1、存储系统三个特性：包含性：在容量大的存储器中，一定能找到上层存储信息的副本。一致性：副本修改，以保持同一信息的一致性局部性2、计算机存储系统三个基本参数：存储容量S ：以字节数表示，单位为B、KB、MB、GB、 TB等。存储器速度T：存储器访问周期，与命中率有关。存储器价格C：表示单位容量的平均价值单位为C/bit 或 C/KB3、提高存储器频带宽度方法：多个存储器并行工作，并用并行访问和交叉访问等方法；设臵各种缓冲存储器；采用 Cache存储系统4、 CACHE引入目的、特点（和虚拟存储器比）、需解决的问题目的：提高CPU对存储器的访问速度。需解决的问题：cache与主存内容的一致性问题5、 地址映像是指某一数据在主存中的地址与在缓存中的地址两者之间的关系。?全相联方式优点：命中率较高，Cache的存储空间利用率高；缺点：线路复杂，成本高，速度低。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页?直接相联优点：简单；缺点：命中率低。?组相联优点：速度快，命中率高；6、 常用替换算法特点及相关计算(一)随机法： (RAND法)随机法是随机的确定替换的存储块。设臵一个随机数产生器，依据所产生的随机数，确定替换的块。优点：简单、易于实现；缺点：没有依据程序局部性原理，命中率比较低。(二)先进先出法 (FIFO法)先进先出法是选择那个最先调入的块进行替换。优点：考虑到了程序运行的历史状况，先进先出方法易于实现；缺点：没有根据局部性规律。其命中率比随机法好些，但还不满足要求。(三)最近最少使用法(LRU法)LRU法是依据各块使用的情况，总是选择那个最近最少使用的块被替换。优点：比较好的反映了程序局部性规律。命中率比较高。缺点：实现起来比较困难，它不但要记录每块使用次数的多少，而且要反映出近期使用的次数。（四）最久没有使用法(LFU)技术思想与LRU法是一样的只不过是实现方法上有所不同。LRU法是记录近期使用次数的多少，而LFU法是记录最久有没有使用过，所以后者实现起来比较容易。7、Cache系统的加速比Tc ：Cache的访问周期；Tm：主存储器的访问周期；Hc：Cache的命中率存储系统的访问效率：指高一级存储器的访问速度(容量小速度高的一级)与系统等效的访问速度之比。CACHE写操作的更新策略： （1）全写法，亦称写直达法(WT 法 Write through) ：在对 Cache进行写操作的同时，也对主存该内容进行写入。优点：Cache 及主存与内容同时更新。所以一致性保持的比较好，可靠性比较高，操作过程比较简单。如果Cache发生错误，可以从主存得到纠正。缺点：全写法每次写操作都要访问主存，所以，写操作的速度得不到改善，仍然是访主存的速度。为改善这一缺点，通常采用一个高速的小容量的缓冲存储器，将要写入的数据和地址先写到这个缓冲存储器，使得 Cache可以尽快的执行下次访问，然后再将缓冲存储器的内容写入主存。（2）写回法 (WB 法 write back) ：在 CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存；需要替换时，把修改过的块写回主存。优点： Cache的速度比较高，Cache的命中率比较高，所以Cache与主存之间的通信量大大降低。缺点：有一段时间Cache 内容与主存内容不一致，所以可靠性比全写法差，而且控制操作比较复杂。改善：写回法在替换时要将一块内容写回主存；此时CPU不能继续访问Cache及主存，可能处于等待状态。为改善这一缺陷，可以设臵一个高速的数据缓冲存储器，先将写入的数据与地址存入此缓冲区，以使 CPU可以继续工作。而缓冲存储器可以与CPU的处理工作并行，将数据写入主存。8、 CACHE命中率影响因素：容量块的大小地址映像方式9、存储保护的方式：(一)加界保护方式(二) 键保护方式(三) 环保护方式第四章1、一次重叠：把取指令操作隐含在分析、执行指令过程中，则在任何时候只允许上条指令“执行”与下条指令“分析”相重叠的情况成为“一次重叠”流水线的基本概念流水线技术：将一个重复的时序过程分成若干个子过程，每个子过程都可有效的在其专用功能段上和其它子过程同时执行的一种技术。流水线的分级： （按处理的级别分级）操作部件级 (arithmetic pipelining) ：将复杂的算逻运算组成流水工作方式；指令级 (instruction pipelining) ：把一条指令解释过程分成多个子过程；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页处理机级或宏流水线级(macro pipelining) ：由两个以上处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成某一专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所共享的存储器中。流水线的分类：按功能分类：单功能流水线、多功能流水线单功能流水线 (unifunctionpipelining) ：只能实现一种固定的专门功能的流水线（如CRAY -1） 。多功能流水线(multifunctionpipelining)：通过各站间的不同连接方式可以同时或不同时地实现多种功能的流水线（如 TI-ASC ） 。按工作方式分类：静态流水线、动态流水线静态流水线 (static pipelining) ：在同一时间内各功能段只能按一种运算（功能）的连接方式工作。动态流水线 (dynamic pipelining) ：在同一时间内各功能段允许按多种不同运算（功能）的连接方式工作。按连接方式（流水线中是否有反馈回路）分类：线性流水线、非线性流水线。线性流水线 (linearpipelining) ：从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。一般的流水线均属于这一类。非线性流水线 (non-linear pipelining) ：存在反馈回路，从输入到输出过程中，某些功能段将数次通过流水线，这种流水线常用于进行递归运算。2、流水线性能分析计算衡量流水线处理机的性能主要是吞吐率、加速比和效率。最大吞吐率： 流水线达到稳定状态后可获得的吞吐率。（1）TPmax=1/t（理想情况）（2）TPmax=1/maxt1，t2，t3， t43、 资源相关：指当有多条指令进入流水线后在同一机器周期内争用同一功能部件所发生的冲突。解决方法：（1）使冲突指令停顿一拍进入流水线，以解决访存相关。（2）重复设臵一个存储器。数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而前面的指令均在流水线中重叠执行，还未产生相应的结果时，就会引起“数据相关”。解决方法： （1）时间推后法（2）旁路技术或相关专用通路技术（定向技术）（3）定向技术：将一个计算结果直接传送到所有需要它的功能单元的输入端控制相关：主要由无条件转移和条件转移引起。解决方法：（1）加快和提前形成条件码：有的指令的条件码并不一定要等执行完毕得到运算结果后才能形成；（2）静态转移预测技术：在硬件和软件设计完成后，转移预测方向则确定。（3）猜测法：按一个方向流水，预测成功或不成功方向；（4）预取转移目标：向两个分支方向预取指令；（5）加快短循环程序处理：设臵特殊循环指令、利用硬件向后检测若干条指令（IBM360/91 ：向后检测8 条） ；4、流水机器的中断处理流水机器处理中断的关键不在于如何缩短断流时间，而是如何处理好断点现场及中断后的恢复问题。不精确断点法 (同外部设备中断处理一样)：不论第 i 条指令在流水线的哪一段发出中断申请，都不再允许那时还未进入流水线的后续指令再进入，允许已流入的指令执行完；现场是最后一条指令的。精确断点法：不论第i 条指令是在流水线中哪一段发的中断申请，给中断处理程序的现场全都是对应第i 条的，在第 i 条之后进入流水线的指令的原有现场都能恢复(增加设备，增加后援R，保存流水线内各条指令的原有状态）。5、线性和非线性流水线的调度先进的流水调度方法-动态调度静态调度：借助软件对指令执行顺序进行调度，以减少由于流水线中存在相关冲突而引起流水线的停顿时间。目前比较流行。动态调度：通过硬件重新安排指令的执行顺序以减少流水的停顿。优点：（1）能处理某些在编译时无法知道的相关情况；（2）能简化编译程序设计；（3）使代码有可移植性。缺点：相应的硬件较为复杂。非线性流水线的冲突及调度非线性流水线的冲突：由于段间设臵有反馈回路，一个任务在流水的整个执行过程中可能会多次通过同一流水段，因此不能每拍均向流水线送入新任务。若仍每拍送入一个新任务，则在某些时刻会发生几个任务同时争用同一流水段的现象，即产生功能段的使用冲突。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页解决方法：间隔恰当的拍数后再向流水线送入下一个任务。这就需要对流水线作适当的调度。流水线调度解决的问题：间隔几拍再向流水线送入下一个任务，才不发生功能段使用冲突。6、一个周期能完成多条指令的计算机（多发射结构的RISC ） 、三种超级计算机对一个周期能发射多条指令计算机有超标量、超流水、超长指令字计算机，此外还有数据流计算机也属于多发射结构7、 向量的流水处理： （1）水平处理法 (横向 )（2）垂直处理法（纵向） （3）分组纵横处理法向量处理机的结构向量（流水）处理机：由向量数据表示和流水线技术相结合构成的向量流水处理机存储器存储器型结构寄存器寄存器型8、 增强向量处理功能的方法，特别是链接技术改进向量处理机性能的方法主要有：链接技术与并行操作，向量循环或分段开采技术第五章1、并行性概念、粒度并行性概念：在数值计算，数据处理，信息处理或人工智能求解过程中，可能存在某些能同时进行运算或操作的部分。在同一时刻或同一时间间隔内完成多个性质相同或不同的任务。并行性的开发还可以按程序大小划分不同粒度的开发方式。并行粒度（ granularity ）或颗粒规模（grainsize）-衡量软件进程所含计算量的尺度。测量方法是数一下颗粒（程序段）中的指令数目。一般用细、中、粗来描述，决定并行处理的基本程序段。2、提高计算机系统的并行性的技术途径：时间重叠资源重复资源共享3、阵列处理机分类：分布存贮的阵列处理机集中式共享存贮的阵列处理机6、互联网络设计的四个特征：1、通信工作方式通信工作方式可分为同步和异步两种。2、控制策略控制策略分为集中和分散两种。3、交换方式交换方式分为线路交换和分组交换两种。4、网络拓扑网络拓扑分为静态和动态两种。这里的拓扑是指互连网络中的各个结点间连接关系，通常用图来描述。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页
