計算機體系結構復習資料匯總版

1、.第一章計算機系統(tǒng)結構的基礎知識1、計算機體系結構：計算機體系結構是程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。2、透明性：對本來是存在的事物或屬性，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。在一個計算機系統(tǒng)中，低層機器的屬性對高層機器的程序員往往是透明的，如傳統(tǒng)機器級的概念性結構和功能特性，對高級語言程序員來說是透明的。3、計算機系統(tǒng)結構、計算機組成、計算機實現(xiàn)之間的關系：計算機系統(tǒng)結構指的是計算機系統(tǒng)的軟、硬件的界面，即機器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機器級所具有的屬性。計算機組成：指的是計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)，包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。它著眼于物理機器級內(nèi)

2、各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的關系。計算機的實現(xiàn)：指的是計算機組成的物理實現(xiàn)，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。它著眼于器件技術和微組裝技術，其中器件技術在實現(xiàn)技術中起主導作用。4、計算機系統(tǒng)的分類：1）Flynn（單/多指令流單/多數(shù)據(jù)流四種）2）馮氏分類法：最大并行速度。5、程序的局部性：時間局部性（程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息）空間局部性（程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者鄰近）。6、計算機系統(tǒng)設計原理：由上往下設計、由下往上設計、

3、從中間開始設計。從中間設計的優(yōu)點：“中間”指層次結構中的軟硬件的交界面，目前一般是在傳統(tǒng)機器語言機器級與操作系統(tǒng)機器級之間。好處：采用這種方法時，首先要進行軟硬件功能分配，確定好這個界面。然后從這個界面開始，軟件設計者往上設計操作系統(tǒng)、匯編、編譯系統(tǒng)等，硬件設計者往下設計傳統(tǒng)機器級、微程序機器級等。軟件和硬件并行設計可以縮短設計周期，設計過程中可以交流協(xié)調(diào)，是一種交互式的、很好的設計方法。7、存儲程序計算機（馮·諾依曼結構）：采用存儲程序原理，將程序和數(shù)據(jù)存放在同一存儲器中。指令在存儲器中按其執(zhí)行順序存儲，由指令計數(shù)器指明每條指令所在的單元地址。存儲程序原理的基本點是指令驅動。主要特

4、點：·計算機以運算器為中心。輸入/輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器；存儲器、輸入/輸出設備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。·在存儲器中，指令和數(shù)據(jù)同等對待。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進行運算，即由指令組成餓程序是可以修改的。·存儲器是按地址訪問、按順序線性編址的一維結構，每個單元的位數(shù)是固定的。·指令的執(zhí)行是順序的，即一般是按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行。程序的分支由轉移指令實現(xiàn)。由程序計數(shù)器PC指明當前正在執(zhí)行的指令在存儲器中的地址。·指令由操作碼和地址碼組成。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數(shù)地址和存放運算結果的地

5、址。操作數(shù)的類型由操作碼決定，操作數(shù)本身不能判定是何種數(shù)據(jù)類型。·指令和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，采用二進制運算。8、計算機五大部件：控制器、運算器、存儲器、輸入輸出設備。9、一條指令由那兩部分組成：操作碼、地址碼。10、軟件兼容：同一個軟件可以不加修改第運行于體系結構相同的各檔及其，而且它們所獲得的結果一樣，差別只在于運行時間不同。11、系列機的軟件兼容方式：軟件兼容有（向上兼容）和（向下兼容）之分，又有（向前兼容）和（向后兼容）之分。系列機軟件必須保證（向后兼容），力爭（向上兼容）。兼容機：不同制造商生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結構的計算機。系列機：在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結構，但具

6、有不同組織和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。12、并行性的概念：指計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。他是同時性和并發(fā)性兩種含義。同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。從處理數(shù)據(jù)的角度并行性從低到高分為：a、字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性 b、字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性。 c、字并位串：同時對許多字的同一位進行處理，這種方式具有較高的并行性。 d、全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處

7、理，這是最高一級的并行。從執(zhí)行角度來看，并行性從低到高依次分為：a、指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。b、指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。c、線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。d、任務級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務，以子程序或進程為調(diào)度單元。e、作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。13、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，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。（2）資源重復：通過重復設置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計算機系

8、統(tǒng)的性能。（3）資源共享：是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。14、多機系統(tǒng)的耦合度分類：（1）最低耦合：除通過某種中間存儲介質之外，各計算機之間沒有物理連接，也無共享的聯(lián)機硬件資源。（2）松散耦合：通過通道或通信線路實現(xiàn)計算機間互連，共享某些外圍設備，機間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級進行。（3）緊密耦合：機間物理連接的頻帶較高，往往通過總線或高速開關實現(xiàn)互連，可以共享主存。第二章指令系統(tǒng)的設計1、計算題：Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時間的百分比（P7頁）。向上（下）兼容：按某檔機器編制的程序

9、，不加修改就能運行于比它高（低）檔的機器。向前（后）兼容：按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改地就能運行于在它之前（后）投入市場的機器。向后兼容是系列機的根本特征。兼容機：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結構的計算機。2、計算題：哈夫曼樹哈弗曼編碼方法的計算（1）碼長表示法（2）碼點表示法1）碼長表示法：246(有三種長度，兩位的、四位的、六位的)2）碼點表示法：3/6/4（最短的有三條，最長的有四條，中間長度對應為6條）3）24最多碼點數(shù)：13解釋：2可以有00、01、10、11四種，但是必須是2-4擴展至少有一個為兩位，其他的可以在前面擴展兩位，每個可以對應四種例如對于01

10、可以變成：0001、0101、1001、1101，所以總共加起來最多只能是3*4+1=13種4）以下四種編碼中：不是2-4擴展的是（D）A:1/2 B:2/8 C:3/4 D:4/8大題：有一臺模型機，有以下七種不同的指令，使用頻率表示如下：T1: 20%T2: 12% T3:11%T4: 15%T5: 8% T6:3%T7: 2%T8:18%T9: 10%T10: 1% （1） 上圖為哈夫曼編碼圖：平均長度為2*20%+3*（10%+11%+12%+15%+18%）+4*8%+5*3%+6*(1%+2%)=3.03可以表示成：00、010、011、100、101、110、1110、11110

11、、111110、111111（2）若用定長操作碼表示至少需要多少位.答：至少需要4位（3）用擴展操作碼（只有兩位）可以有多種方式表示，要求平均長度不能大于3.2，給出最合理的編碼方式，并求出平均編碼長度.采用擴展操作碼可以用24擴展操作碼的碼點1/9表示：求得平均長度為：1*（20%）+4（80%）=3.4>3.2不符合34的6/4編碼方式：平均長度為3*（10+11+12+15+18+20）%+4*(1+2+3+8)% =3.14<3.2符合條件45編碼6/4方式：4*（10+11+12+15+18+20）%+5*(1+2+3+8)%>3.225編碼中的3/7方式：2*（1

12、5+18+20）%+5*（1+2+3+8+10+11+12）%=3.41>3.2不符合3、數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接識別、指令集可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。第三章 流水線技術1、流水線技術是指：將一個重復的時序過程分解成為若干個子過程，而每個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。2、從不同的角度和觀點，把流水線分成多種不同的種類。（1）按照流水線所完成的功能來分類單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線:流水線的各段可以進行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。（2）按照同一時間內(nèi)各段之間的連接方式對多功能流水線做進一步的分類靜態(tài)流水

13、線：在同一時間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。動態(tài)流水線：在同一時間內(nèi)，當某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。（3）按照流水的級別來進行分類部件級流水線（運算操作流水線）：把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進行流水操作。處理機級流水線（指令流水線）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。處理機間流水線（宏流水線）：由兩個以上的處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成一項任務。（4）按照流水線中是否有反饋回路來進行分類線性流水線：各段串行連接、沒有反饋回路的流水線。非線性流水線：各段除了有串行連接外，還有反饋回路的流水線。（5）根據(jù)任務流入和流出

14、的順序是否相同來進行分類順序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。每一個任務在流水線的各段中是一個跟著一個順序流動的。亂序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成（從輸出端流出）。又稱為無序流水線、錯序流水線、異步流水線。3、流水線指標：吞吐率、加速比、效率A吞吐率是指單位時間內(nèi)流水線所完成的任務數(shù)或輸出結果的數(shù)量。最大吞吐率是指流水線在連續(xù)流動達到穩(wěn)定狀態(tài)后所得到的吞吐率。第一種情況：各段時間相等（設為t0） 假設流水線由 m 段組成，完成 n 個任務。完成 n 個任務所需的時間第二種情況：各段時間不等B加速比

15、是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比。ST非流水T流水若流水線為 m 段，且各段時間相等，均為t0 ，則： T非流水n mt0T流水mt0(n1)t0 (公式自己代入)C (1)若各段時間相等，則各段的效率ei相等，即e1e2 e3、emnt0T流水 整個流水線的效率為:E=nt0/T流水=n/（n+m-1）(2)從時空圖上看，效率實際上就是 n 個任務所占的時空區(qū)與 m 個段總的時空區(qū)之比，即：n 個任務占用的時空區(qū)E m 個段總的時空區(qū)實例分析:性能分析（分析法, 時空圖法）.例1. 四段流水線, t1=t3=t4=t, t2=3t,4個任務、10個任務時TP，、SP 。（1）分析法

16、: 各段時間不等(2) 時空圖法:比較說明:N>>M流水性能才發(fā)揮得更好4、非線性流水線調(diào)度：5、流水線中的相關是指相鄰或相近的兩條指令因存在某種關聯(lián)流水線相關有3種類型：a數(shù)據(jù)相關、b名相關，包括反相關和輸出相關（輸出相關用換名技術來消除）、c控制相關（結構相關、數(shù)據(jù)相關、控制相關）流水線沖突有3種類型及對策：a結構沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。b數(shù)據(jù)沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結果而發(fā)生的沖突。包括寫后讀沖突、寫后寫沖突和讀后寫沖突，對策有定向技術、停頓（氣泡法）和編譯器解決c控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值

17、的指令所引起的沖突。最簡單方法凍結或排空。第四章 向量處理機1、向量處理機：為了充分發(fā)揮流水線的效率，實現(xiàn)高性能計算，有的流水線處理機設置了向量數(shù)據(jù)表示和相應的向量指令。這種處理機稱為向量處理機。向量處理機的四個性能指標：a.向量指令的處理時間；b.最大性能和半性能向量長度；c.向量長度臨界值。第五章 指令級并行及其開發(fā)硬件開發(fā)1、指令調(diào)度：通過改變指令在程序中的位置，將相關指令之間的距離加大到不小于指令執(zhí)行延遲，將相關指令轉化為無關指令。指令調(diào)度是循環(huán)展開的技術基礎。靜態(tài)調(diào)度：它不是在程序執(zhí)行的過程中，而是在編譯期間進行代碼調(diào)度和優(yōu)化的。動態(tài)調(diào)度：是在程序的執(zhí)行過程中，依靠專門硬件對代碼進行

18、調(diào)度。2、記分牌動態(tài)調(diào)度方法：該機器用一個稱為記分牌的硬件實現(xiàn)了對指令的動態(tài)調(diào)度。3、多指令流出技術（CPI值小于，就必須采用多流出技術），處理器有3種基本結構：超長指令字：每個時鐘周期流出的指令數(shù)是固定的，它們構成一條長指令，或說是一個混合指令包，這種處理器目前只能通過編譯靜態(tài)調(diào)度。超標量：每個時鐘周期流出的指令數(shù)不定，它既可以通過編譯器靜態(tài)調(diào)度，也可以通過記分牌或 Tomasulo算法動態(tài)調(diào)度。超流水：將每個功能部件進一步流水化，特別是取 指令或指令流出被分解為多個段，使得一個功能部件在一拍中可以處理多條指令。流水線實現(xiàn)的五步：取指令、指令編譯或寄存器讀取、執(zhí)行或有效地址計算、存儲器訪問或

19、分支完成、寫回4、多指令處理機有幾種（超流水線處理機）K段流水線基準標量處理機、m度超標量處理機、n度超流水線處理機、(m,n)度超標量超流水線處理機。指令多流出處理器受哪些因素的限制呢.主要受以下三個方面的影響：a程序所固有的指令級并行性。b硬件實現(xiàn)上的困難。c超標量和超長指令字處理器固有的技術限制。第六章指令級并行及其開發(fā)軟件開發(fā)1、循環(huán)展開和指令調(diào)度要注意哪些問題.1 保證正確性：在循環(huán)展開和調(diào)度過程中尤其要注意兩個地方的正確性：循環(huán)控制，操作數(shù)偏移量的修改；2 注意有效性：只有能夠找到不同循環(huán)體之間的無關性，才能有效地使用循環(huán)展開；3 使用不同的寄存器，否則可能導致新的沖突；4 刪除多

20、余的測試指令和分支指令，并對循環(huán)結束代碼和新的循環(huán)體代碼進行相應的修正； 5 注意對存儲器數(shù)據(jù)的相關性分析；6 注意新的相關性。由于原循環(huán)不同次的迭代在展開后都到了同一次循環(huán)體中，因此可能帶來新的相關性。第七章存儲系統(tǒng)1、程序的局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問的地址不是隨機的，而是相對簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。包含時間局部性（程序馬上將要用到的信息很可能就是現(xiàn)在正在使用的信息）和空間局部性（程序馬上將要用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在存儲空間上是相鄰的）。2、計算機三級存儲系統(tǒng)：高速緩沖存儲器、主存儲器、輔助存儲器。3、三種映像規(guī)則：全相聯(lián)映像、直接相聯(lián)映像、組相聯(lián)映像。全相聯(lián)：

21、是指主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置。直接映像：是指主存中的每一塊只能放置到Cache中唯一的一個位置。組相聯(lián)映像：Cache被等分為若干組，每組有若干個塊構成。主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。4、三種類型的不命中：強制性不命中、容量不命中、沖突不命中。命中率與Cache和相聯(lián)度關系：（1）相聯(lián)度越高，沖突不命中就越少。（2）強制性不命中和容量不命中不受相聯(lián)度影響。（3）強制性不命中不受Cache容量的影響，但容量不命中卻隨著容量的增加而減少。犧牲Cache：在Cache和其下一級存儲器的數(shù)據(jù)通路上增設一個全相聯(lián)的小Cache，稱為犧牲C

22、ache。犧牲Cache中存放因沖突而被替換出去的那些塊。每當失效發(fā)生時，在訪問下一級存儲器之前，先檢查Victim Cache中是否含有所需塊。5、Cache優(yōu)化技術三種優(yōu)化措施考一種：優(yōu)化技術不命中率不命中開銷命中時間硬件復雜度說明增加塊大小+0實現(xiàn)容易；Pentium 4的第二級Cache采用了128B的塊增加Cache容量+1被廣泛采用，特別是第二級Cache提高相聯(lián)度+1被廣泛采用“犧牲”Cache+2AMD Athlon采用了8個項的“犧牲”Cache偽相聯(lián)Cache+2MIPS R10000的第二級Cache采用硬件預取指令和數(shù)據(jù)+23許多機器預取指令，UltraSPARC 預取

23、數(shù)據(jù)編譯器控制的預取+3需同時采用非阻塞Cache；有幾種微處理器提供了對這種預取的支持用編譯技術減少Cache不命中次數(shù)+0向軟件提出了新要求；有些機器提供了編譯器選項使讀不命中優(yōu)于寫+1在單處理機上實現(xiàn)容易，被廣泛采用寫緩沖合并+1與寫直達合用，廣泛應用，例如21164，UltraSPARC 盡早重啟動和關鍵字優(yōu)先+2被廣泛采用非阻塞Cache+3所有亂序執(zhí)行的CPU中都采用兩級Cache+2硬件代價大；兩級Cache的塊大小不同時實現(xiàn)困難；被廣泛采用小而簡單的Cache+0實現(xiàn)容易，被廣泛采用對Cache進行索引時不必進行地址轉換+2對于小容量Cache來說實現(xiàn)容易，已被Alpa2116

24、4和UltraSPARC 采用流水化Cache訪問+1被廣泛采用Trace Cache+3Pentium 4 采用第八章 輸入輸出系統(tǒng)1、I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性a.系統(tǒng)從初始狀態(tài)開始一直提供服務的能力，用平均無故障時間衡量b.系統(tǒng)正常工作時間在連續(xù)兩次正常服務間隔時間中所占的比例，用平均失效間隔時間衡量c.多大程度上可以合理地認為服務是可靠的，不可度量。2、同步方式、異步方式的優(yōu)缺點同步總線的控制線中包含一個時鐘，總線上所有設備的所有通訊操作都以該時鐘為基準。這種總線不僅速度快，而且成本低。但同步總線有兩個缺點：由于時鐘過長距離傳輸后會扭曲，因而同步總線不能用于長距離的連接。特別是

25、對于高速同步總線來說，更是如此?？偩€上的所有設備都必須以同樣的時鐘頻率工作。雖然有的同步總線上可以連接不同速度的設備，但其工作頻率必須以最慢的設備為基準。CPU-儲存器總線通常是采用同步總線。異步總線上沒有統(tǒng)一的參考時鐘，每個設備都有各自的定時方法?？偩€上的發(fā)送設備和接收設備采用握手協(xié)議。異步總線能夠比較容易地連接各種不同的設備，而且由于不是用統(tǒng)一的時鐘來定時，因而也就不存在時鐘扭曲和同步的問題，所以其傳輸距離可以比較長。很多I/O總線都采用異步總線。同步總線通常比異步總線快，因為它避免了傳輸時握手協(xié)議的額外開銷。選擇同步總線還是異步總線，不僅要考慮數(shù)據(jù)寬帶，而且要考慮傳輸距離以及可以連接的設

26、備數(shù)量。一般來說，如果設備的類型較少且距離較近，則宜采用同步總線；否則，就宜采用異步總線。3、三種通道類型，三種類型通道與CPU、設備控制器和外設的連接關系，三種類型的通道的流量（1）字節(jié)多路通道a為多臺低速或中速的外設服務。b以字節(jié)交叉的方式分時輪流地為它們服務。c字節(jié)多路通道可以包含多個子通道，每個子通道連接一臺設備控制器。（2）選擇通道a為多臺高速外圍設備服務。b在一段時間內(nèi)只為一臺高速外設獨占使用。c選擇通道的硬件包括5個寄存器、格式變換部件及通道控制部件 （3）數(shù)組多路通道a適用于高速設備。b每次選擇一個高速設備后傳送一個數(shù)據(jù)塊，輪流為多臺外圍設備服務。c數(shù)組多路通道之所以能夠并行地

27、為多臺高速設備服務，是因為雖然其所連設備的傳輸速率很高，但尋址等輔助操作時間很長。通道流量：一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量，一般用字 節(jié)個數(shù)來表示。又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。 通道最大流量，一個通道在滿負荷工作狀態(tài)下的流量。 TS：設備選擇時間。 TD：傳送一個字節(jié)所用的時間。 p： 在一個通道上連接的設備臺數(shù)，且這些設備同時都在工作。 n: 每臺設備傳送的字節(jié)數(shù)，這里假設每臺設備傳送的字節(jié)數(shù)都相同。 k： 數(shù)組多路通道傳輸?shù)囊粋€數(shù)據(jù)塊中的包含的字節(jié)數(shù)。在一般情況下，k<n。對于磁盤、 磁帶等磁表面存儲器，通常k=512。 T： 通道完成全部數(shù)據(jù)傳送工作所需時間。字節(jié)多路通道：選擇通道： 數(shù)組多路通道：第九章 互連網(wǎng)絡1、互連網(wǎng)絡：一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中結點之間的相互連接。這些結點可以