計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末復(fù)習(xí)資料

立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書(shū)為本立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書(shū)為本立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書(shū)為本第一章1、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。(Amdahl提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上指?jìng)鹘y(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)程序員所能看到的計(jì)算機(jī)屬性。)2、透明性：本來(lái)是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性（transparency），在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性對(duì)高層機(jī)器的程序員往往是透明的，如傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面，即機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。計(jì)算機(jī)組成：指的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。它著眼于物理機(jī)器級(jí)內(nèi)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(guān)系。計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)：指的是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)，其中器件技術(shù)在實(shí)現(xiàn)技術(shù)中起主導(dǎo)作用。4、系列機(jī)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(jī)軟件必須保證（向后兼容），力爭(zhēng)（向上兼容）。兼容機(jī)：不同制造商生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。系列機(jī)：在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同組織和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。5.

軟件兼容：同一個(gè)軟件可以不加修改第運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔及其，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時(shí)間不同。6、并行性的概念：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。他是同時(shí)性和并發(fā)性兩種含義。同時(shí)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)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(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)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(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開(kāi)始出現(xiàn)并行性。c、字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位進(jìn)行處理，這種方式具有較高的并行性。d、全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理，這是最高一級(jí)的并行。從執(zhí)行角度來(lái)看，并行性從低到高依次分為：a、指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行。b、指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。c、線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。d、任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)，以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。e、作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。7、提高并行性的技術(shù)途徑：（1）時(shí)間重疊：多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。（2）資源重復(fù)：通過(guò)重復(fù)設(shè)置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。（3）資源共享：是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。8、多機(jī)系統(tǒng)的耦合度分類：（1）最低耦合：除通過(guò)某種中間存儲(chǔ)介質(zhì)之外，各計(jì)算機(jī)之間沒(méi)有物理連接，也無(wú)共享的聯(lián)機(jī)硬件資源。（2）松散耦合：通過(guò)通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間互連，共享某些外圍設(shè)備，機(jī)間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)進(jìn)行。（3）緊密耦合：機(jī)間物理連接的頻帶較高，往往通過(guò)總線或高速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，可以共享主存。計(jì)算題：哈夫曼1、碼長(zhǎng)表示法：2—4—6(有三種長(zhǎng)度，兩位的、四位的、六位的)2、碼點(diǎn)表示法：3/6/4（最短的有三條，最長(zhǎng)的有四條，中間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)為6條）3、2—4最多碼點(diǎn)數(shù)：13解釋：2可以有00、01、10、11四種，但是必須是2-4擴(kuò)展至少有一個(gè)為兩位，其他的可以在前面擴(kuò)展兩位，每個(gè)可以對(duì)應(yīng)四種例如對(duì)于01可以變成：0001、0101、1001、1101，所以總共加起來(lái)最多只能是3*4+1=13種4、以下四種編碼中：不是2-4擴(kuò)展的是（D）A:1/2 B:2/8 C:3/4 D:4/8大題：有一臺(tái)模型機(jī)，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(zhǎng)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、111110、111111（2）若用定長(zhǎng)操作碼表示至少需要多少位？答：至少需要4位（3）用擴(kuò)展操作碼（只有兩位）可以有多種方式表示，要求平均長(zhǎng)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(zhǎng)度？①采用擴(kuò)展操作碼可以用2—4擴(kuò)展操作碼的碼點(diǎn)1/9表示：求得平均長(zhǎng)度為：1*（20%）+4（80%）=3.4>3.2不符合②3—4的6/4編碼方式：平均長(zhǎng)度為3*（10+11+12+15+18+20）%+4*(1+2+3+8)%=3.14<3.2符合條件③4—5編碼6/4方式：4*（10+11+12+15+18+20）%+5*(1+2+3+8)%>3.2④2—5編碼中的3/7方式：2*（15+18+20）%+5*（1+2+3+8+10+11+12）%=3.41>3.2不符合第二章1.CISC結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)(1)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。(2)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。(3)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。(4)CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來(lái)提高系統(tǒng)的性能。2設(shè)計(jì)RISC原則(1)選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令；(2)每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；(3)所有指令長(zhǎng)度均相同；(4)只有Load和Store操作指令才訪問(wèn)存儲(chǔ)器;(5)其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行；(6)以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言。數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接識(shí)別、指令集可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。MIPS寄存器有32個(gè)64位通用寄存器，提供了單精度和雙精度（32位和64位）操作的指令；尋址方式：a.立即數(shù)尋址b.偏移量尋址c.寄存器間接尋址(0作偏移量)d.16位絕對(duì)尋址（R0作基址寄存器）；指令格式：I類、R類、J類指令第三章1、流水技術(shù)是指：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過(guò)程分解成為若干個(gè)子過(guò)程，而每個(gè)子過(guò)程都可有效地在其專用功能段上與其他子過(guò)程同時(shí)執(zhí)行。流水線實(shí)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(jì)算、存儲(chǔ)器訪問(wèn)或分支完成、寫回2、指令流水線特點(diǎn)：(1)流水線把一個(gè)處理過(guò)程分解成若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)；(2)各個(gè)功能段所需時(shí)間應(yīng)盡量相等，否則，時(shí)間長(zhǎng)的功能段將成為流水線的瓶頸，會(huì)造成流水線的“堵塞”和“斷流”。(3)流水線每個(gè)功能部件后面都有一個(gè)緩沖寄存器(4)流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，只有輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才能充分發(fā)揮。(5)流水線需要有通過(guò)時(shí)間和排空時(shí)間3、流水線中的相關(guān)是指相鄰或相近的兩條指令因存在某種關(guān)聯(lián)相關(guān)分類：（1）數(shù)據(jù)相關(guān)（2）名相關(guān)，包括反相關(guān)和輸出相關(guān)（輸出相關(guān)用換名技術(shù)來(lái)消除）（3）控制沖突流水線沖突分類及對(duì)策：（1）結(jié)構(gòu)沖突（2）數(shù)據(jù)沖突，包括寫后讀沖突、寫后寫沖突和讀后寫沖突，對(duì)策有定向技術(shù)、停頓（氣泡法）和編譯器解決（3）控制沖突，最簡(jiǎn)單方法凍結(jié)或排空4、流水線的分類(1)功能上;單功能流水線；多功能流水線(2)同一時(shí)段各段之間聯(lián)系（對(duì)多功能來(lái)說(shuō)）：靜態(tài)流水線、動(dòng)態(tài)流水線；(3)級(jí)別上：部件級(jí)流水線、處理機(jī)級(jí)流水線、處理機(jī)間流水線；(4)按是否有反饋回路：線性流水線、非線性流水線；(5)按任務(wù)流入和流出順序是否相同：順序流水線、亂序流水線；5、流水線指標(biāo)：吞吐率、加速比、效率第一種情況：各段時(shí)間相等（設(shè)為△t0）

假設(shè)流水線由m段組成，完成n個(gè)任務(wù)。完成n個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間TPTP＝──＝────────T流水nm△t0+(n-１)△t0n(1+)△t0m-11TPmaxn＝───────＝─────1+nm-1第二種情況：各段時(shí)間不等TPTP＝──────────∑△ti＋(n－1)△tjmi=1nB加速比是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比。S＝T非流水／T流水若流水線為m段，且各段時(shí)間相等，均為△t0，則：T非流水＝nm△t0T流水＝m△t0＋(n－1)△t0(公式自己代入)C(1)若各段時(shí)間相等，則各段的效率ei相等，即e1＝e2＝e3＝、、、＝em＝n△t0／T流水

整個(gè)流水線的效率為:E=n△t0/T流水=n/（n+m-1）(2)從時(shí)－空?qǐng)D上看，效率實(shí)際上就是n個(gè)任務(wù)所占的時(shí)空區(qū)與m個(gè)段總的時(shí)空區(qū)之比，即：n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)

E＝━━━━━━━━━━━━━

m個(gè)段總的時(shí)空區(qū)實(shí)例分析:性能分析（分析法,時(shí)空?qǐng)D法）.例1.四段流水線,△t1=△t3=△t4=△t,△t2=3△t,4個(gè)任務(wù)、10個(gè)任務(wù)時(shí)TP，η、SP。（1）分析法:各段時(shí)間不等==Sp=n*Σ△timi=1Σ△ti+(N-1)*△tjmI=110*6△t(6+3*9)△t=2011=1.8n=10n=10，η=6*10△t4*6△t+9*3*4△t=6024+108=115TP=106*△t+3*9*△t=1033*△t≈45%(2)時(shí)空?qǐng)D法:時(shí)間時(shí)間12343111223234123123123444443△t3△t空間Tp=4/((6+3*3)△t)=4/(15△Tp=4/((6+3*3)△t)=4/(15△t)=0.267(1/△t)=24△t/(4*15△t)=2/5=40%Sp=4*6△t/15△t=8/5=1.6n=4時(shí);n=10時(shí);同上.第五章存儲(chǔ)層次1、cache降低失效率的幾種方法增加塊大小、提高相聯(lián)度、victimcache、偽相聯(lián)cache、硬件預(yù)存、編譯器控制的預(yù)存、編譯器優(yōu)化2、子塊放置技術(shù)：把Cache塊進(jìn)一步劃分為更小的塊(子塊)，并給每個(gè)子塊賦予一位有效位，用于指明該子塊中的數(shù)據(jù)是否有效。Cache與下一級(jí)存儲(chǔ)器之間以子塊為單位傳送數(shù)據(jù)。但標(biāo)識(shí)仍以塊為單位4、減少失效開(kāi)銷技術(shù)讓讀失效優(yōu)先于寫子塊放置技術(shù)請(qǐng)求字處理技術(shù)非阻塞Cache技術(shù)采用兩級(jí)Cache5、請(qǐng)求字優(yōu)先：調(diào)塊時(shí)，從請(qǐng)求字所在的位置讀起。這樣，第一個(gè)讀出的字便是請(qǐng)求字。將之立即發(fā)送給CPU6、設(shè)有一道程序，有1至5共五頁(yè)，執(zhí)行時(shí)的頁(yè)地址流（即執(zhí)行時(shí)依次用到的程序頁(yè)頁(yè)號(hào)）為：2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2若分配給該道程序的主存有3頁(yè)，分別采用FIFO和LRU替換算法表示這3頁(yè)的使用和替換過(guò)程說(shuō)明：（1）FIFO算法：替換最早裝入主存的頁(yè)；（2）LRU算法：依據(jù)各塊使用的情況，選擇最近最少使用的塊替換。時(shí)間時(shí)間t123456789101112頁(yè)地址流232152453252調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)調(diào)進(jìn)命中替換替換替換替換命中命中替換替換223322313*1551*25*24245*2*43342*34*53*52命中命中命中命中3次近期最少使用LRU2調(diào)進(jìn)23調(diào)進(jìn)232命中23*1調(diào)進(jìn)2*15替換51*2命中25*4替換2*45命中54*3替換35*2替換3*25命中52