计算机系统结构复习(个人总结)

第一章：计算机系统的层次结构：（按照计算机语言从低级到高级）微程序机器，传统机器语言机器，操作系统机器，汇编语言机器，高级语言机器和应用语言机器。计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念属性和功能特性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包括物理机器级中的数据流和控制流的组成和逻辑设计等。计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机，主存等物理结构及整机装配技术。（器件技术和微组装技术）透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物和属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。Flynn分类法是依旧：指令流和数据流的多倍性进行分类的。冯氏分类发：是按照计算机系统的最大并行度来分类的。计算机系统设计的定量原则：1，以经常性事件为重点：在计算机系统中对于经常发生的事件，赋予它优先的处理权和系统使用权。2，Amdahl定律：加快某部件的执行速度所获得的系统性能的加速比。𝑆𝑛=1(1−𝐹𝑒)+𝐹𝑒𝑆𝑒（注：Fe=可改进时间比例，Se=性能提高倍数）3，CPU性能公式：执行一个程序所需要的CPU时间=IC*CPI*时钟周期时间（CPI指令平均时钟周期=执行程序所需要的时钟周期数/所执行的指令数）CPI=∑（𝐶𝑃𝐼𝑖∗𝐼𝐶𝑖𝐼𝐶）𝑛𝑖=14，程序的局部属性：程序执行时，所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对簇聚的。包括时间局部性和空间局部性。计算机系统设计者的主要任务：1，确定用户对计算机系统的功能，价格和性能的要求。2，软硬件功能的分配。3，设计出生命周期长的系统结构。软件兼容：一台计算机上的程序不加修改或只需要少量的修改就可以由一台计算机一直到另一台计算机上运行，差别只是执行时间的不同从中间开始设计：这里的“中间”是指层次结构中软硬件的交界面。，采用这种方法，首先进行软硬件功能的分类，确定好这个界面，然后从这个界面开始往上或往下设计。好处：软件和硬件并行设计，缩短了设计时间，而且设计的过程中可以互相协调，是一种交互式很好的设计方法。冯诺依曼结构及其主要特点：它是由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5个部件组成。主要特点：1，计算机以运算器为中心。2，在存储器中指令和数据同等对待。3，存储器是按地址访问，是按顺序线性编址的一位结构，每个单元的位数都是固定的。4，指令的执行时顺序的，一般按照指令在存储器中的存放位置。5，指令由操作码和地址码组成。6，指令和数据都以二进制编码表示，采用二进制运算。实现可移植性的3种发法：1，统一高级语言；2，采用系列机；3，模拟与仿真。系列机：是指由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的计算机。系列机的软件兼容有：向上兼容（争取具备），向下兼容，向前兼容，向后兼容（必须具备）模拟和仿真的区别模拟：用软件的方法在一台计算机中实现另一台计算机的指令系统。仿真：是用计算机中的微程序去解释实现另一台计算机的指令系统。主要区别：在于执行所用的语言不同。模拟是用机器语言程序执行，程序存放在主存中；而仿真则是运用微程序执行，其解释程序存放在控制存储器中。由此可知：仿真的运行速度要快于模拟，但仅适合在系统结构差别不大的计算机之间使用。并行性：并行性是指计算机在同一时间或同一时间间隔内进行多次操作或运算。只要时间上重叠，就存在并行性。同时性：两个或两个以上的时间在同一时刻发生。并发性：两个或两个以上的时间在同一时间间隔内发生。提高并行性的方法有：时间重叠，，资源共享，，资源重复。。耦合度：是用来反应多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用的强弱。紧密耦合度：一般通过总线或高速开关互联，，可以共享主存。松散耦合的：一般通过通道或通信线路互联，，可以共享外部存储设备。习题：7,9,10,11第二章：指令系统的结构分类：指令系统的结构主要分为：堆栈性结构，累加器性结构，通用寄存器性结构。通用寄存器结构又可以分为3种：寄存器-寄存器型，寄存器-存储器型，存储器-存储器型。通用寄存器结构的优点主要在于：1，寄存器的访问速度比存储器要快。2，对编译器而言，能更容易，有效的分配和使用寄存器。3，寄存器可以用来存放变量。指令系统设计的基本原则完整性，规整性，正交性，高效性，兼容性。什么是操作码的信息熵操作码的优化程度可以用信息熵H=-∑Pini=1𝑙𝑜𝑔2𝑃𝑖它表示用二进制对n个码点编码时，理论上的最短平均编码长度。什么是CISC？全称是什么？存在的问题有哪些？CISC全称：复杂指令集计算机。主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交给硬件来完成，并且指令的数目也越来越多。存在的问题：1，各指令的使用频率相差悬殊，有些指令很少用到。2，指令系统庞大，指令数量很多，功能也比较复杂，导致控制器硬件占用大量芯片面积，且增加了研发时间和成本，并且容易犯错。3，许多指令操作比较复杂，占用大量CPI，运行速度较慢4，由于指令功能庞大，规整性不好，不利于流水线技术来提高性能。什么是RISC，原则是什么：RISC全称：精简指令集计算机。原则：1，指令条数少，功能简单。2，采用简单而又统一的指令结构，减少寻址方式。3，指令的执行在单周期内完成。4，采用load-store结构。5，大多数指令都采用硬连逻辑来实现。6，强调优化编译器，为高级语言程序生成优化的代码。7，充分利用流水技术来提高性能。例2.1，习题2.11.第三章：流水线：将一个重复的时序过程分解为若干个子过程，且每个子过程都可以在其专用功能段上与其他子过程同时工作。流水线的基本特点：1，流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，且每一个子过程都由一个专门的功能部件来实现。2，流水线各段的时间应尽可能相等，否则会造成流水线的阻塞和断流。3，流水线的每一个段后面都有一个缓冲寄存器，叫做流水寄存器。4，流水线技术适用于处理大量重复的时序过程5，流水线需要有通过时间和排空时间。流水线的分类：1，按流水线技术应用于计算机系统的等级可分为：部件级流水线，处理器级流水线和系统级流水线。2，按流水线的功能可以分为：单功能流水线，多功能流水线（静态流水线，动态流水线）。3，按流水线是否存在反馈回路可以分为：线性流水线和非线性流水线。线性流水线：各段串行连接，没有反馈回路。非线性流水线：除各段串行连接外，还存在反馈回路的流水线。4，按流水线中任务的输入流和输出流的顺序是否相等可分为：顺序流水线和乱序流水线。流水线中的相关和冲突：流水线中的相关有：数据相关，名相关和控制相关；流水线的冲突有：数据冲突，结构冲突和控制冲突。流水线的吞吐率：是指在单位时间内，流水线所完成的任务数量和处理结果的数量。作业：3.63.93.10例题p65第四，五，六，七章：向量处理机的结构：存储器-存储器结构：适用于纵向处理方式；寄存器-寄存器结构：适合分组处理方式。指令并行的硬件方法：1，指令的动态调度：在程序执行过程中，依靠专门的硬件对代码进行调度。2，动态分支预测技术：用硬件的方法进行分支处理。1预测分支是否成功。2尽快找到分支的目标地址，避免控制相关造成的流水线停顿。3，多指令流出技术。循环展开和指令调度时要注意的及格方面：1，保证正确性，2，注意有效性3，使用不同寄存器4，删除多余的测试指令和分支指令5，注意对存储器数据的相关性分析6，注意新的相关性。存储器系统的性能参数有哪些：存储容量S，命中率H，存储系统的平均每位的价格C，平均访问时间𝑇𝐴。三级存储系统：Cache+主存+辅存Cache+主存：用于弥补主存速度的不足。辅存+主存：用于弥补主存容量的不足。映像规则：全相联映射（冲突概率最低），直接映射（冲突概率最高），组相联映射（组内全相联，组外直接映射）改进Cache性能的方法：1，降低不命中率2，减少不命中开销3，减少命中时间。三种类型的不命中：1,强制性不命中2，容量不命中3，冲突不命中。降低不命中时间的措施：1，容量小结构简单的Cache2，虚拟Cache3，Cache访问流水线4，踪迹Cache降低不命中开销的措施：1，采用两级Cache2，让读不命中优先于写3，写缓冲合并4，请求字处理技术5，非阻塞Cache技术。第八，九章：同步总线和异步总线各有什么优缺点：同步总线：所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。优点：成本低，不需要设备之间互相确定时序的逻辑。缺点：总线操作必须以相同的速度运行。异步总线：设备之间没有统一的系统时钟，设备自己内部定时。优点：容易适应更广的设备类型，扩展时不必担心时钟时序和时钟同步问题。缺点：在传输时，异步总线需要额外的同步开销，速度慢与同步总线三种通道：1，字节多通道2，数组多通道3，选择通道。基本的互联函数有哪些：1，恒等函数2，交换函数3，均匀洗牌函数