计算机系统结构知识点梳理.docx

第一章计算机系统的多级层次结构（图1-1）由高到低依次为：应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、微程序机器级计算机系统结构内涵和属性（研究内容）计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，为机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统提供使其设计或生成的程序能在机器上正确运行而应看到和遵循的计算机属性。这些属性包括：（1） 硬件能直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示。（2） 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式。（3） 通用、专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织。（4） 二进制或汇编指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统。（5） 主存的最小编址单位、编制方式、容量、最大可编址空间等的存储系统组织。（6） 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构。（7） 系统机器级的管态和用户态的定义与切换。（8） 输入输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级I/O结构。（9） 系统各部分的信息保护方式和保护机构等属性。计算机组成和实现的联系与区别计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现：计算机的物理实现，包括处理机、主存等部件的内部物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源，冷却装置及整机装配技术等。结论：机器、汇编指令系统、数据表示、是否采用通道方式输入输出的确定属于系统结构研究的范畴；指令采用顺序、重叠、流水还是其他方式解释，数据通路宽度的确定，通道采用结合型还是独立性，均属于计算机组成研究的范畴。软硬件取舍三原则原则一：应考虑在现有硬件、器件（主要是逻辑器件和存储器件）条件下，系统要有高的性价比，主要从实现费用，速度和其他性能要求来综合考虑。P9例题原则二：要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用。原则三：综合考虑软硬件性能。平均每条指令的平均周期数CPI=i=1n(CPIiIi)IC=i=1n(CPIiIiIC)注释：简单说，就是把总的执行时间除去总的指令条数。计算机系统的定量设计原则（1） 哈夫曼压缩原理：尽可能加速处理高概率事件远比加速处理概率很低的事件对性能的提高要显著。（优先处理高概率事件）（2） Amdahl定律：性能提高的幅度受限于性能改进部分所占的比例大小。表现了性能提高量的递减规律。P13例题Sp=ToldTnew=11-fnew+fnewrnew（3） 程序访问的局部性定律a) 时间局部性：现在正使用的信息可能不久还要使用。b) 空间局部性：最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序位置上是邻近的。计算机系统的设计方法（1） 由上往下设计（2） 由下往上设计（3） 从中间开始向两边设计软件移植技术软件可移植性：软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移动到另一台机器上运行，统一软件可运用于不同的环境。实现方法：（1） 统一高级语言（最好的方法）（2） 采用系列机（概念，P19例题）（3） （机器语言）模拟和（微程序）仿真并行性同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性：指两个或多个事件在同一时间内间隔发生。并行性开发途径（1） 时间重叠：流水线处理机（2） 资源重复：超标量流水机，双工系统（3） 资源共享：多处理机，多道程序分时系统多机系统的耦合度最低耦合系统：脱机处理系统松散耦合系统：多台计算机通过通道或线路实现互联紧密耦合系统：多台计算机经总线或高速开关互联第二章设计RISC基本原则（1） 确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令。（2） 减少指令系统所用寻址方式种类（3） 让所有指令都在一个机器周期内完成（4） 扩大通用寄存器数（5） 为提高指令执行速度，大多数指令都采用硬联控制实现，少数指令采用微程序实现。（6） 通过精简指令和优化设计编译程序，简单有效的支持高级语言的实现设计RISC基本技术（1） 按设计RISC的一般原则设计（2） 逻辑实现采用硬连和微程序相结合（3） 在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口。重叠寄存器窗口：采用让相邻过程的低区和高区公用同一组物理寄存器的重叠技术，可实现这两个过程直接交换参数，显著减少过程调用和返回的执行时间，执行的指令条数及访存次数。（4） 指令用流水和延迟转移（5） 采用高速缓冲存储器Cache，设置指令Cache和数据Cache分别存放指令和数据。（6） 优化设计编译系统RISC技术优势（1） 简化了指令系统设计，适合VLSI实现（2） 提高了机器的执行速度和效率（3） 降低了设计成本，提高了系统的可靠性（4） 可直接支持高级语言的实现，简化编译程序的设计第五章本章节所有知识点都是关于标量处理机。重叠方式（1） 转移指令处理：延迟转移技术（2） 相关指令处理：不准修改指令，将指令相关转化为数相关（3） 主存空间数相关处理：先写后读相关，采用推后读。（4） 通用寄存器组相关处理：推后读分析操作，或者增设“相关专用通路”（如果从哈夫曼思想出发，由于寄存器组相关发生概率很低，不宜采用“相关专用通路”，而应该采用推后读）流水方式（多指令重叠）流水方式分类（1） 依据向下扩展和向上扩展的思路（2） 处理的级别：部件级，处理机级，系统级（3） 具有的功能：单功能流水线，多功能流水线（4） 静态流水线，动态流水线（P172例题）（5） 数据表示：标量流水机，向量流水机（6） 是否有反馈电路：线性流水，非线性流水标量流水线性能为了提高流水线的最大吞吐率，首先找出瓶颈，然后设法消除此瓶颈。将瓶颈子过程再细分。或者通过设置多套瓶颈段并联（P173例题）吞吐率，加速比，效率标量流水机的相关处理和控制机构（1） 局部性相关的处理：指令相关、访存操作数相关和通用寄存器组相关等局部相关都是由于在机器同时解释的多条指令之间出现了对同一主存单元或寄存器要求“先写后读”a) 异步流动时会发生写写相关和先读后写相关，同步流动时不可能发生。（2） 全局性相关的处理：已进入流水线的转移指令（尤其是条件转移指令）和其后续指令之间的相关a) 猜测法b) 加快和提前形成条件码c) 采取延迟转移技术d) 加快短循环程序的处理（3） 流水机器的中断处理a) 小概率事件，采用精确或不精确断点法保护现场（4） 非线性流水线的调度指令级高度并行的超级处理机单处理机在每个时钟周期里可解释多条指令超标量流水机，超长指令字处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机第六章本章所有知识点都是关于向量处理机。主要分为向量流水处理机和阵列处理机向量流水处理机连接技术P202图阵列处理机构形（1） 具有分布式存储器的阵列处理机（2） 具有集中式共享存储器的阵列处理机ILLIAC IV 处理单元阵列结构任何一个PU都与近邻上下左右四个PU相连。P209任意两个处理单元之间的最短距离不超过N-1步。SIMD计算机互联网络（看书复习）设计目标：结构不要过分复杂，以降低成本；互联要灵活，以满足算法和应用的需要；处理单元间信息交换所需传送步数要尽可能少，以提高速度性能；能用规整单一的基本构建组合而成，或者经多级链接来实现复杂的互联，是模块性能好，以便于LSI实现并满足系统的可扩充性。基本的单级互联网络（看书复习）（1） 立方体单级网络（2） PM2I单级网络（3） 混洗交换网络（4） 蝶形单级网络基本多级互联网络（看书复习）多级立方体互联网络多级混洗交换网络共享主存构形的阵列处理机中并行处理器的无冲突访问P227-P228例题看透第七章本章所有知识点都与多处理机相关紧耦合与松耦合互联一般采用总线、环形互联、交叉开关、多端口存储器或蠕虫穿洞寻径网络。紧耦合多处理机多Cache的一致性问题产生原因：写直达法造成，进程迁移导致被挂起，绕过Cache的输入输出操作解决方法：（1） 解决进程迁移引起的多Cache不一致性a) 禁止进城迁移b) 进程挂起时，强制写回主存（2） 以硬件为基础实现多Cache的一致性a) 监视Cache协议方法（写作废法，写更新法）b) 目录表法i. 全映像目录表ii. 有限目录表iii. 链式目录表（3） 以软件为基础实现多Cache的一致性a) 不把公用的可写数据存入Cache中多处理机的并行和性能（看