第一章计算机体系结构的基本概念

1.存储程序计算机冯诺依曼4部分

                运算器用于完成数值运算

                存储器用于存储程序和数据

                输入输出设备用于完成计算机与外部信息交互

                控制器根据程序形成控制序列完成对数据的运算

  冯诺依曼计算机特点

        1机器以运算器为中心

        2采用存储程序原理程序指令和数据放在同一存储器中

        3存储器事按地址访问的线性编址空间。

        4控制流由指令流产生。

        5指令由操作码和地址码组成。

        6数据以二进制代码表示。

2.程序员所看到的机器属性

        1数据表示硬件能直接辨认和处理的数据类型。

        2寻址规则包括最小寻址单元寻址方式及其表示。

        3寄存器定义包括各种寄存器的定义数量使用方式。

        4指令系统包括机器指令的操作类型和格式指令间的排序和控制机构。

        5中断系统中断的类型和中断响应

        6机器工作状态的定义和切换如管态和目态

        7存储系统主存容量程序员可用的最大容量

        8信息保护包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持。

        9I/O结构包括i/o连接方式处理机/存储器与i/o设备数据的传送方式和格式及i/o操作的状态

  3.计算机体系结构包括计算机系统设计的三个方面

        计算机指令系统

        计算机组成

        计算机硬件

4并行性概念在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或者两种以上性质相同或者不相同的工作。把两个或多个事件在同一时刻发生的并行性交错同时性把两个或者多个事件在同一时间间隔内发生的并行性交错并发性

5.提高并行性的技术途径

        1时间重叠多个处理过程在时间上相互错开轮番使用同意硬件的各个部分

        2资源重复通过重复设置硬件资源从而大幅提升计算机系统性能

        3资源共享多个任务按照一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备

6.Amadahl定律

        加速比=改前总执行时间/改后总执行时间

                   =1/1-可改比+可改进比例/部件加速比

例1

解答

例2

解答

7.CPU性能

        CPU时间=总时钟周期数/时钟频率

        CPI指令时钟数=总时钟周期数/IC指令数

第2章  指令系统 

1指令系统结构的分类

        堆栈型结构

        累加器结构

        通用寄存器结构根据操作数不同又细分。RM型寄存器-储存器型操作数可来自存储器RR型寄存器-寄存器结构操作数都来自通用寄存器

2设计指令的基本准则

        完整性在有限可用存储空间内解决任何问题指令系统提供的指令都足够使用。

        规整性所有指令系统相关的存储使用操作码的设置是对称的不同操作数类型字长和数据存储单元指令的设置都要同等对待。

        正交性指令中各个不同含义的字段在编码时互不相关。相互独立

        高效性指令执行的速度快使用频度高。

        兼容性实现向后兼容指令系统可增加新指令。

3RISC指令尽可能把指令系统简化指令条数少功能简单。

      CISC指令增强指令功能把越来越多功能给硬件实现。存在1指令频度相差悬殊2指令系统庞大条数太多太复杂占用大量cpu面积成本高3操作繁琐规整性不好的问题

                

4指令操作码设计

        例

 解答

 

第三章流水线技术

1流水线技术及特点流水指将一个重复的时序过程分解成若干个子过程每个子过程都可以有效的在其专用功能段上与其他子过程共同执行。

        特点1流水由多个相关联的子过程组成每个过程称为流水的“级”或“段”。段数称为“深度”或“流水深度”。2每个子过程由专用的功能段实现。3各段的时间应尽量相等4流水线需要有通过时间此后进入稳定状态。5流水技术适合大量重复的过程。

2流水的分类

        1单功能流水完成单一功能和多功能流水完成不同功能。

        2静态流水各段按同一功能的连接方式工作和动态流水一些段实现某种运算另一些段实现其他运算。

        3部件级处理机级及处理机间流水线。

        4标量流水处理机和向量流水处理机。有无向量数据表示

        5线性流水和非线性流水。有无反馈机制

3MIPS流水线改进

简单的数据通路

增加数据寄存器

增加定向路径

优化分支

4流水性能分析

     吞吐率是单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果数量。

     最大吞吐率稳定流水的吞吐率TPmax=1/▲t与最慢的那一段执行时间有关

     加速比指m段流水线的速度和等功能非流水速度之比不用流水的X轴坐标/用流水的X轴坐标   

     效率流水设备的利用率运行的格子/总格子数

例题

时空图

 计算

效率E=n/m=4*6+3*4/18*8=0.25 

5流水中的相关

        结构相关指令在同步重叠执行过程中硬件资源满足不了指令重叠执行的要求。

        数据相关当前一条指令需要用到前面指令的执行结果而这些指令都在流水折叠执行。

        控制相关当流水线遇到分支指令和其他能改变pc值的指令就会发生控制相关。

6数据相关分类

        写后读相关读的操作先于写导致读到不正确的值。

        写后写相关第一个写操作速度没有第二个写操作快导致写入的值应为操作2实际是操作1

        读后写相关本应该先读后写结果写快了读到的数据是后来新写进去的值发生错误。

7定向技术:某条指令产生一个计算结果之前其他指令并不真正需要这个计算结果如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要的地方就可避免暂停。

8.通过时间、排空时间分别指第一个任务和最后一个任务进入流水到流出结果的时间段。这两个流水都不是满载的。

第四章指令级并行

1指令级并行的概念当指令之间不存在相关时在流水上可以叠加执行则为指令并行。

2.循环展开将循环中多个基本块展开成一个基本块从而可以在其中填充stall。

例题115页 4.2

        

3.指令调度通过预先分离出指令并重排指令的顺序避免指令流水线停顿。

   动态调度通过硬件重新安排指令的执行顺序调整相关指令实际执行时的关系减少空转。

4.记分牌记分牌算法允许乱序执行将基本流水的译码阶段再分为流出和读操作数两个阶段。

5.Tomasulo算法

        Tomasulo算法的基本思想只要操作数有效就将其取到保留站避免指令流出时才到达寄存器中取数据使得即将执行的指令从相应的保留站中取得操作数而不是从寄存器中。指令的执行结果也将直接送到等待数据的其它保留站中去。

        换名功能由保留站的编号来完成的要扩充Tomasulo算法支持前檐执行需将Tomasulo算法中写结果段分为写结果和指令确认两个阶段。

第五章存储层次

1多级存储层次寄存器-Cache-主存-辅存。分别为M1M2M3M4.

两种存储层次的关系 在cpu和主存之间增加cache弥补主存速度不足的缺陷。另一个是在主存外面增加一个容量更大价格更低的辅存磁盘。

2.性能参数:

       命中率H=N1/N1+N2N1N2为在M1与M2访问的次数

     平均每位价格C=C1S1+C2S2/S1+S2C1C2为M1M2的价格S1S2为M1M2的容量

      平均访问时间 TA=TA1+(1-H)TM

3.改进cache性能的三种方式

   1降低失效率调节cache块的大小提高相联度Victim cache硬件预取编译优化

   2减少失效开销写缓冲写合并读失效优先于写请求字处理多级cache非阻塞cache

   3减少cache命中时间用小容量结构简单的cache虚拟cache访问流水多体cache等等

 5.三种映射的特点

        直接映射主存块只能被放置到唯一的一个cache的方式。

        全相联映射主存块可以被放置到任意一个cache块位置

        组相联映射主存块可以放到cache中唯一一个组的任何一个位置.

6.写直达不仅把信息写入cache中响应的块而且也写入下一级存储器中。

   写回法只把信息写入Cache中相应的块。该块只有在被替换的时候才被写回下一级存储器。

第六章输入输出系统

1.I/O系统可以通过响应时间和可靠性参数衡量其性能

2.磁盘阵列

        RAID0数据直接分布在多个磁盘上无冗余。速度快容量大可靠差

        RAID1数据采用镜像拥有一个冗余。读写操作快容量小可靠性高

        RAID5:交叉分布式奇偶校验(冗余小读写快但是设计复杂)

3.DMA访问方式

        1.使操作系统在I/O的传输过程中确保DMA设备访问的页面都位于物理存储器中这些页面都是锁定在主存的页面。

        2.采用“虚拟DMA技术”它允许DMA设备直接使用虚拟地址DMA期间由硬件将虚拟地址映射到物理地址。

4.通道为减轻CPU负担管理外设的I/O

                1通道的功能接受来自cpu的i/o指令根据指令与指定的外设进行连接

                2执行CPU为通道组织的通道程序

                3为主存和外设设置传输控制信息。

                4指定后才能送工作结束时进行的操作

                5检查外设的工作方式

                6在传输数据过程中完成必要的数据格式变换。

选择题

1从计算机系统结构来看机器语言程序员看到的机器属性是 A 。

        A.编程要用到的硬件组织             B.计算机硬件的全部组成

        C.计算机软件所完成的功能         D.计算机各部件的硬件实现

2计算机系统结构不包括C

        A.机器工作状态        B.信息保护

        C.主存速度               D.数据表示        

3多处理器实现的并行主要是B

A.指令级并行        B.任务级并行        C.操作级并行        D.操作步骤的并行

4RISC执行程序的速度比CISC要快的原因是A

A.RISC的指令平均执行周期数少        B.RISC的指令系统中指令条数较少

C.程序在RISC上编译生成的目标程序较短        D.RISC只允许load和store指令访问

5.下列符合RAID5的说法正确的使D

A.磁盘所能使用的空间只有磁盘容量的一半        B .有单独指定的奇偶盘

C.没有冗余或错误修复能力        D.交叉存取数据及奇偶校验信息于所有磁盘上

6.i/o数据不经过cpu内部寄存器的i/o方式是D

A程序控制i/o方式        B中断输入输出方式

C堆栈访问方式        D直接存储访问方式

7.当计算机系统通过执行通道程序完成i/o工作时执行通道程序的是A

A通道                B.cpu                C.cpu和通道        D.指定的外设

8.磁盘存储器适合连接到B

A.字节多路通道或选择通道                B.字节多路通道或者数组多路通道

C选择通道或者数组多路通道             D.任意一组通道