计算机系统结构(复习)

1、1v计算机系统结构、组成与实现计算机系统结构、组成与实现计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构虚拟机、透明性、软虚拟机、透明性、软/硬件功能的等价性硬件功能的等价性v计算机系统的性能评价计算机系统的性能评价CPICPIT TCPUCPU = I = IN NCPICPITcTcMIPSMIPS和和MFLOPSMFLOPS基准测试程序（基准测试程序（benchmarkbenchmark）算术平均值算术平均值Am调和平均值调和平均值Hm几何平均值几何平均值Gm2计算机系统设计的定量原理计算机系统设计的定量原理只加速使用频率高的部件、只加速使用频率高的部件、Amdahl定律（会应用该定律定

2、律（会应用该定律解决实际问题）、程序访问的局部性规律解决实际问题）、程序访问的局部性规律v计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类Flynn分类法分类法依据、分类、特点、典型机器的归类依据、分类、特点、典型机器的归类3v数据类型、数据表示与数据结构数据类型、数据表示与数据结构数据类型数据类型：数值数值+ +操作。数据表示操作。数据表示+ +数据结构；数据结构；数据表示数据表示：计算机硬件可直接识别和引用的数据类型。：计算机硬件可直接识别和引用的数据类型。数据结构数据结构：结构数据类型的组织方式；软件识别的数据类型。：结构数据类型的组织方式；软件识别的数据类型。v常用高级数据表示方法：常用高级数

3、据表示方法：自定义（自定义（Self-defining）数据表示）数据表示标志符标志符数据表示数据表示数据描述符数据描述符数据表示数据表示向量向量数据表示数据表示堆栈堆栈数据表示数据表示4v程序定位技术程序定位技术直接定位直接定位静态重（再）定位静态重（再）定位动态重（再）定位动态重（再）定位v指令格式的优化设计指令格式的优化设计主要目标：主要目标： 节省程序存储空间节省程序存储空间 指令格式尽量规整，便于译码指令格式尽量规整，便于译码 研究内容：研究内容： 操作码操作码的优化表示的优化表示 地址码地址码的优化表示的优化表示5v操作码的优化表示操作码的优化表示等（定）长编码等（定）长编码 格式

4、最规整、冗余最大格式最规整、冗余最大Huffman编码编码最小概率合并法最小概率合并法冗余最小、格式最不规整冗余最小、格式最不规整扩展编码扩展编码等长扩展、不等长扩展等长扩展、不等长扩展X-Y-Z、X/Y/Z冗余和规整性都界于等长编码和冗余和规整性都界于等长编码和Huffman编码之间编码之间Nn2log6v指令字格式的优化指令字格式的优化不同的寻址方式不同的寻址方式不同的地址制不同的地址制不同的地址形式和长度不同的地址形式和长度多种指令字长多种指令字长v指令系统优化设计的两种方向：指令系统优化设计的两种方向： 复杂指令系统复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set

5、Computer) 精简指令系统精简指令系统RISC(Reduced Instruction Set Computer)7vRISC的先进技术的先进技术流水线技术流水线技术延迟加载指令（延迟加载指令（load）延迟转移技术延迟转移技术优化编译技术优化编译技术数据相关数据相关延迟加载指令（延迟加载指令（load）重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术作用、原理作用、原理8第三章第三章 存储系统（体系）设计存储系统（体系）设计v存储系统的基本概念存储系统的基本概念由多种不同存储器件构成，在由多种不同存储器件构成，在OSOS和辅助硬件管理下成为完整和辅助硬件管理下成为完整的整体，以满足容量、速度、价格

6、的要求。的整体，以满足容量、速度、价格的要求。依据程序访问的局部性原理依据程序访问的局部性原理时间局部性时间局部性空间局部性空间局部性9第三章第三章 存储系统（体系）设计存储系统（体系）设计),()1 (1)1 (122111rHfHHTHTHTTaTeTTCPUCPUI-CacheI-CacheD-CacheD-Cache主存储器主存储器v存储系统的性能参数存储系统的性能参数等效访问时间等效访问时间 TaHT1(1H)T2访问效率访问效率v复杂的存储系统复杂的存储系统Ta= fi(HiTc+(1- Hi)Tm)+(1- fi)( HdTc+(1- Hd) Tm)10第三章第三章 存储系统（体

7、系）设计存储系统（体系）设计v提高命中率方法提高命中率方法预取技术：预取技术：不命中时，把不命中时，把M M2 2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都取出来送入取出来送入M M1 1存储器中。存储器中。P49(2)P49(2)。会计算。会计算 v交叉访问存储器交叉访问存储器高位交叉高位交叉 低位交叉（分时启动方式）低位交叉（分时启动方式）并行主存系统并行主存系统v虚拟存储器虚拟存储器地址映象地址映象地址变换地址变换nnHnHH11111第三章第三章 存储系统（体系）设计存储系统（体系）设计v虚拟存储器的三种管理方式虚拟存储器的三种管理方式段式、页式、段页

8、式段式、页式、段页式掌握多用户虚地址变换成主存实地址的方法掌握多用户虚地址变换成主存实地址的方法v页面替换算法页面替换算法RAND、FIFO、LRU、LFU、OPT哪些属于哪些属于堆栈型替换算法堆栈型替换算法v提高等效访问速度（加快地址变换）的方法提高等效访问速度（加快地址变换）的方法目录表：用目录表：用高速小容量相联存储器存放部分页表（已装入主高速小容量相联存储器存放部分页表（已装入主存的）。存的）。快慢表法快慢表法散列函数法散列函数法12第三章第三章 存储系统（体系）设计存储系统（体系）设计vCache存储系统与虚拟存储系统的比较存储系统与虚拟存储系统的比较目的目的实现方法实现方法两级存储

9、器速度比两级存储器速度比页页(块块)大小大小等效存储容量等效存储容量透明性透明性命中时处理方式命中时处理方式采用器件采用器件第二级存储器与第二级存储器与CPU通路通路13第三章第三章 存储系统（体系）设计存储系统（体系）设计v主存内容的更新算法主存内容的更新算法写直达法写直达法(Write-Through), (Write-Through), 写回法写回法(Write-Back) (Write-Back) v写写CacheCache不命中时的取策略不命中时的取策略不按写分配法不按写分配法按写分配法按写分配法v预取算法：使用之前就预先取入预取算法：使用之前就预先取入Cache恒预取：访问第恒预取

10、：访问第i块的信息时，预取第块的信息时，预取第i+1块块不命中时预取：访问第不命中时预取：访问第i块不命中时，取块不命中时，取i块同时预取第块同时预取第i+1块块 nnHnHH11114v指令的解释方式指令的解释方式顺序方式顺序方式 一次重叠方式一次重叠方式二次重叠方式二次重叠方式增设指令缓冲器的一次重叠方式增设指令缓冲器的一次重叠方式取指令取指令k分析分析k 执行执行k取指令取指令k+1分析分析k+1执行执行k+1取指取指k+2分析分析k+2执行执行k+2取指取指k+1分析分析k+1执行执行k+1取指取指k分析分析k执行执行k取指取指k分析分析k执行执行k取指取指k+1 分析分析k+1 执行

11、执行k+1取指取指k+2 分析分析k+2 执行执行k+2分析分析k执行执行k分析分析k+1执行执行k+1分析分析k+2执行执行k+215v相关及处理相关及处理相关相关v流水线流水线概念概念特点特点分类分类性能性能控制相关控制相关数据相关数据相关指令相关指令相关主存数据相关主存数据相关寄存器数据相关寄存器数据相关基（变）址相关基（变）址相关后推、相关专用通路后推、相关专用通路16v流水线的吞吐率流水线的吞吐率各段时间相等的各段时间相等的存在瓶颈段的存在瓶颈段的瓶颈段的消除方法瓶颈段的消除方法tnknTP)1(ttnknLimTPn1)1(max),max()1(211kkiitttntnTP )

12、,max(121maxktttTP 17v线性流水线性能分析线性流水线性能分析吞吐率、效率、加速比吞吐率、效率、加速比公式法、时空图法公式法、时空图法v非线性流水线调度非线性流水线调度解决的问题解决的问题预约表预约表禁止向量禁止向量原始冲突向量原始冲突向量流水线状态图流水线状态图全部调全部调度方案度方案选取符合要求的方案选取符合要求的方案18v流水机器的流水机器的相关处理相关处理局部相关局部相关种类：种类：RAWRAW、WARWAR、WAWWAW、RARRAR（顺序、乱序流动中的区别顺序、乱序流动中的区别）解决方法：后推、相关专用通路解决方法：后推、相关专用通路全局相关全局相关分支预测：静态预

13、测、动态预测分支预测：静态预测、动态预测加快和提前形成条件码加快和提前形成条件码延迟转移延迟转移加快短循环处理加快短循环处理中断处理中断处理不精确断点不精确断点精确断点精确断点19v先进流水技术先进流水技术动态调度动态调度集中式集中式记分板机制记分板机制分布式分布式Tomasulo方法方法v指令级高度并行的超级处理机指令级高度并行的超级处理机超标量处理机超标量处理机超流水线处理机超流水线处理机超标量超流水线处理机超标量超流水线处理机超长指令字处理机超长指令字处理机20v并行性的基本概念并行性的基本概念并行性与并行处理并行性与并行处理同时性与并发性同时性与并发性并行性颗粒度并行性颗粒度v并行性技

14、术的实现途径并行性技术的实现途径时间重叠、资源重复、资源共享时间重叠、资源重复、资源共享vSIMDSIMD并行处理机并行处理机分布式存储器结构分布式存储器结构集中式共享存储器结构集中式共享存储器结构处理单元阵列（处理单元阵列（PEPE）、标量处理机、阵列控制部件、主机、）、标量处理机、阵列控制部件、主机、互连网络互连网络21v阵列处理机的并行算法阵列处理机的并行算法矩阵加、矩阵乘、累加和矩阵加、矩阵乘、累加和v互连网络的设计准则互连网络的设计准则通信工作方式通信工作方式同步、异步同步、异步控制策略控制策略集中、分散集中、分散交换方式交换方式线路交换、分组交换线路交换、分组交换网络拓扑网络拓扑静

15、态、动态静态、动态v单级互连网络单级互连网络CubeCubei iPM2IPM2IShuffle-ExchangeShuffle-ExchangeButterflyButterflyv网络特性网络特性结点度与网络直径结点度与网络直径聚集带宽与等分带宽聚集带宽与等分带宽数据寻径功能数据寻径功能22v静态互连网络静态互连网络线性阵列线性阵列环和带环和带弦环弦环循环移数网和全连接循环移数网和全连接树型和星型树型和星型胖树型胖树型网格型和环网型网格型和环网型超立方体超立方体带环超立方体带环超立方体K K元元n-n-立方体立方体v动态互连网络动态互连网络总线方式总线方式交叉开关互连方式交叉开关互连方式多

16、级互连网络多级互连网络v多级互连网络的三个量多级互连网络的三个量交叉开关交叉开关直连、交叉、上播、下播直连、交叉、上播、下播两功能交换单元、四功能交换单元两功能交换单元、四功能交换单元拓扑结构拓扑结构控制方式控制方式级控制、部分级控制、单元控制级控制、部分级控制、单元控制23v多级互连网络多级互连网络多级立方体网络多级立方体网络STARANSTARAN网网交换网络：级控制交换网络：级控制移数网络：部分级控制移数网络：部分级控制二进制二进制n n方体网络：单元控制方体网络：单元控制多级混洗交换网络（多级混洗交换网络（OmegaOmega网络）网络）四功能交换单元、单元控制四功能交换单元、单元控制

17、如将交换单元限制为两种功能且采用级控制则为如将交换单元限制为两种功能且采用级控制则为STARANSTARAN的的逆网络逆网络多级多级PM2IPM2I网络网络24v向量流水处理的特点（适合流水处理）向量流水处理的特点（适合流水处理）元素相互元素相互独立无关独立无关，各元素执行，各元素执行同一种操作同一种操作一条向量指令相当于一个一条向量指令相当于一个标量循环，减少了控制相关标量循环，减少了控制相关。向量元素相邻，适合采用向量元素相邻，适合采用多体交叉（低位）存储器多体交叉（低位）存储器。v向量流水的处理方式向量流水的处理方式横向、纵向、纵横向横向、纵向、纵横向v向量处理机的基本结构向量处理机的基

18、本结构存储器存储器- -存储器、寄存器存储器、寄存器- -寄存器寄存器v向量指令向量指令向量向量-向量、向量向量、向量-标量、向量标量、向量-存储器、归约、聚集存储器、归约、聚集-散射、屏散射、屏蔽蔽25v提高向量处理性能的常用技术提高向量处理性能的常用技术多功能部件的并行操作多功能部件的并行操作无向量寄存器冲突和功能部件冲突无向量寄存器冲突和功能部件冲突链接技术链接技术利用对向量寄存器的先写后读相关利用对向量寄存器的先写后读相关加快条件语句和稀疏矩阵的处理加快条件语句和稀疏矩阵的处理向量屏蔽技术、利用指标向量的散射与聚合操作向量屏蔽技术、利用指标向量的散射与聚合操作加快向量的归约操作加快向量的归约操作分解成可向量化部分和递推求和部分（采用折叠求和方法）分解成可向量化部分和递推求和部分（采用折叠求和方法）v向量