计算机体系结构复习资料要领.doc

第一章 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。 计算机组成：计算机系统的逻辑实现。 计算机实现：计算机系统的物理实现。 4个定量原理 1.以经常性事件为重点：对于大概率事件(最常见的事件)，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。 2.系统的加速比某些部件程序执行的CPU时间= CPI ( IC / 时钟频率两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性1.9 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示： 操作类型 程序中的数量 （百万条指令） 改进前的执行时间 （周期） 改进后的执行时间 （周期） 操作1 10 2 1 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作4 15 4 1 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？ （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl定律可得 操作类型 各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi 各类操作的加速比Si 各类操作单独改进后，程序获得的加速比 操作1 11.1% 2 1.06 操作2 33.3% 1.33 1.09 操作3 38.9% 3.33 1.37 操作4 16.7% 4 1.14 4类操作均改进后，整个程序的加速比： 第二章 CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。每一个任务在流水线的各段中是一个跟着一个顺序流动的。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 流水线的性能指标：吞吐率，加速比，效率 解决流水线瓶颈问题的常用方法：细分瓶颈段，重复设置瓶颈段 流水线设计中的若干问题：瓶颈问题，流水线的额外开销，冲突问题 流水线的相关与冲突 经典的5段流水线：IF(取指令周期),ID(译码周期),EX(执行周期),MEM(访问周期),WB(写回周期) 相关：数据相关，名相关，控制相关 流水线冲突：指对于具体的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时钟周期执行。 结构冲突硬件资源满足不了指令重叠执行的要求发生数据冲突当流水线改变指令读/写操作数的顺序，使不同于它们非流水实现时的顺序数据冲突。冲突i 和j，且i在j之前进入流水线中，j的执行要用到i的计算结果，当它们在流水线中重叠执行时，j可能在i写入其计算结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作，从而得到错误的值。 写后写冲突i 和j，且i在j之前进入流水线中，j和i的目的寄存器相同，当它们在流水线中重叠执行时，j可能在i写入其计算结果之前就先行对该结果寄存器进行写操作，从而导致写入顺序错误，在目的寄存器中留下的是i写入的值，而不是j写入的值。 读后写冲突i 和j，且i在j之前进入流水线中，j可能在i读取某个源寄存器的内容之前就先对该寄存器进行写操作，导致i后来读取到的值是错误的。 2.通过定向技术解决数据冲突： 当流水线中出现数据冲突时，可以将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令中需要它的地方，或所有需要它的功能单元，避免暂停。 3.需要停顿的数据冲突：图3.32 4.依靠编译器解决数据冲突 控制冲突流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。 TA＝ PM2I函数 一种移数函数，它是将各输入端都循环移动一定的位置连到输出端。其函数为 PM2+i (x) ＝ x＋2i mod N PM2-i(x) ＝ x－2i mod N 其中，0≤x≤N－1，0≤i≤n－1，n＝log2N，N为结点数。 均匀洗牌函数 将输入端分成数目相等的两半，前一半和后一半按类似均匀混洗扑克牌的方式交叉地连接到输出端（输出端相当于混洗的结果）。其函数关系可表示为 即把输入端的二进制编号循环左移一位。 超立方体※书259 一种二元n立方体结构。一般说来，一个n立方体由N=2n 个结点组成，它们分布在n维上，每维有两个结点。E为交换函数，S为均匀洗牌函数，B为蝶式函数，PM2I为移数函数，函数的自变量是十进制数表示的处理机编号。现有32台处理机，其编号为0，1，2，…，31。 （1）分别计算下