計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)匯總

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典定義程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。2.透明性在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。3.系列機(jī)由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)。4.常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類法有兩種：Flynn分類法、馮氏分類法Flynn分類法把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類：單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)5. 改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時(shí)間系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總

2、執(zhí)行時(shí)間之比6. CPI（Cycles Per Instruction）:每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)IC7. 存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)8. 馮諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)1.以運(yùn)算器為中心。2.在存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)同等對(duì)待。 指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。3.存儲(chǔ)器是按地址訪問、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。4.指令的執(zhí)行是順序的5.指令由操作碼和地址碼組成。6.指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。9.軟件的可移植性一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上正確地

3、運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。我們稱這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是軟件兼容的。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法:采用系列機(jī)、模擬與仿真、統(tǒng)一高級(jí)語言 。軟件兼容：向上（下）兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的機(jī)器。向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場的機(jī)器。向后兼容是系列機(jī)的根本特征。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī) 。10.并行性：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。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)的角度來看，從

4、低到高可分為：1.字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。 最基本的串行處理方式，不存在并行性。2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。 開始出現(xiàn)并行性。3.字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。 具有較高的并行性。4.全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。 最高一級(jí)的并行。從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：1.指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。2.指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。3.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。4.任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上

5、的過程或任務(wù)（程序段） 以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。5.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。 提高并行性的技術(shù)途徑：1.時(shí)間重疊 引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，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) 引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。3.資源共享 這是一種軟件方法，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。 第二章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)1. CPU中用來存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的主要類型：堆棧、累加器、通用寄存器組2. 通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為3種類型寄存器-寄存器型（

6、RR型）寄存器-存儲(chǔ)器型（RM型）存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型（MM型）3.指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮3個(gè)因素：速度、成本、靈活性對(duì)指令集的基本要求：完整性、規(guī)整性、高效率、兼容性 4.設(shè)計(jì)RISC機(jī)器遵循的原則 1.指令條數(shù)少而簡單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令。2.采用簡單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位。3.指令的執(zhí)行在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。(采用流水線機(jī)制)4.只有l(wèi)oad和store指令才能訪問存儲(chǔ)器，其他指令的操作都是在寄存器之間進(jìn)行。 （即采用load-store結(jié)構(gòu)）5.大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來實(shí)現(xiàn)。6.強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級(jí)語

7、言程序生成優(yōu)化的代碼。7.充分利用流水技術(shù)來提高性能。5.指令由兩部分組成：操作碼、地址碼指令集的3種編碼格式：變長編碼格式、定長編碼格式、混合型編碼格式第三章 流水線技術(shù)1.流水線技術(shù)：把一個(gè)重復(fù)的過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。把多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯(cuò)開，依次通過各功能段，這樣，每個(gè)子過程就可以與其他的子過程并行進(jìn)行。流水線中的每個(gè)子過程及其功能部件稱為流水線的級(jí)或段，段與段相互連接形成流水線。流水線的段數(shù)稱為流水線的深度。通過時(shí)間：第一個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出結(jié)果所需的時(shí)間。排空時(shí)間：最后一個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出結(jié)果所需的時(shí)間。2.分類1.單功能流水線與多功能

8、流水線單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線：流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。2.靜態(tài)流水線與動(dòng)態(tài)流水線靜態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作。動(dòng)態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。3.部件級(jí)、處理機(jī)級(jí)及處理機(jī)間流水線部件級(jí)流水線（運(yùn)算操作流水線）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯運(yùn)算部件分段，使得各種類型的運(yùn)算操作能夠按流水方式進(jìn)行。處理機(jī)級(jí)流水線（指令流水線）：把指令的解釋執(zhí)行過程按照流水方式處理。把一條指令的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程在獨(dú)立的功能部件中執(zhí)行。處理機(jī)間流

9、水線（宏流水線）：它是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的處理機(jī)串行連接起來，對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成整個(gè)任務(wù)中的一部分。4.線性流水線與非線性流水線線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。數(shù)據(jù)通過流水線中的各段時(shí)，每一個(gè)段最多只流過一次。非線性流水線：流水線中除了有串行的連接外，還有反饋回路。5.順序流水線與亂序流水線順序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。每一個(gè)任務(wù)在流水線的各段中是一個(gè)跟著一個(gè)順序流動(dòng)的。亂序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成（從輸出端流出）。6.標(biāo)量處理機(jī)與向量流水處理機(jī) 標(biāo)量

10、處理機(jī)：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。向量流水處理機(jī)：具有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令的處理機(jī)。3.吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。解決流水線瓶頸問題的常用方法:細(xì)分瓶頸段、重復(fù)設(shè)置瓶頸段。加速比：完成同樣一批任務(wù)，不使用流水線所用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之比。效率：流水線中的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的比值，即流水線設(shè)備的利用率。當(dāng)流水線各段時(shí)間相等時(shí)，流水線的效率與吞吐率成正比。 Tk=(k+n-1) t E=TPt t=T通過/m (m表示段數(shù))流水線的效率是流水線的實(shí)際加速比S與它的最大加速比k的比值。 從時(shí)空?qǐng)D上看，效率就

11、是n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空面積和k個(gè)段總的時(shí)空面積之比。4.一條指令的執(zhí)行過程分為以下5個(gè)周期：1.取指令周期（IF）IR MemPC 。PC值加4。（假設(shè)每條指令占4個(gè)字節(jié)）2.指令譯碼/讀寄存器周期（ID）譯碼。用IR中的寄存器編號(hào)去訪問通用寄存器組，讀出所需的操作數(shù)。3.執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX）不同指令所進(jìn)行的操作不同：存儲(chǔ)器訪問指令：ALU把所指定的寄存器的內(nèi)容與偏移量相加，形成用于訪存的有效地址。寄存器寄存器ALU指令：ALU按照操作碼指定的操作對(duì)從通用寄存器組中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。寄存器立即數(shù)ALU指令：ALU按照操作碼指定的操作對(duì)從通用寄存器組中讀取的第一操作數(shù)和立即數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。

12、分支指令：ALU把偏移量與PC值相加，形成轉(zhuǎn)移目標(biāo)的地址。同時(shí)，對(duì)在前一個(gè)周期讀出的操作數(shù)進(jìn)行判斷，確定分支是否成功。4存儲(chǔ)器訪問分支完成周期（MEM）該周期處理的指令只有l(wèi)oad、store和分支指令。其他類型的指令在此周期不做任何操作。load和store指令load指令：用上一個(gè)周期計(jì)算出的有效地址從存儲(chǔ)器中讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。store指令：把指定的數(shù)據(jù)寫入這個(gè)有效地址所指出的存儲(chǔ)器單元。分支指令 分支“成功”，就把轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址送入PC。 分支指令執(zhí)行完成。5.寫回周期（WB） ALU運(yùn)算指令和load指令在這個(gè)周期把結(jié)果數(shù)據(jù)寫入通用寄存器組。 ALU運(yùn)算指令：結(jié)果數(shù)據(jù)來自ALU。 loa

13、d指令：結(jié)果數(shù)據(jù)來自存儲(chǔ)器系統(tǒng)。5.相關(guān)：兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。相關(guān)有3種類型:數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)具有傳遞性，反映了數(shù)據(jù)的流動(dòng)關(guān)系如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱這兩條指令存在名相關(guān)。反相關(guān)：如果指令j寫的名與指令i讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。 指令j寫的名指令i讀的名輸出相關(guān)：如果指令j和指令i寫相同的名，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。 指令j寫的名指令i寫的名換名技術(shù)：通過改變指令中操作數(shù)的名來消除名相關(guān)。前提：寄存器足夠?？刂葡嚓P(guān)是指由分支指令引起的相關(guān)。流水線沖突是指對(duì)于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使

14、得指令流中的下一條指令不能在指定的時(shí)鐘周期執(zhí)行。6.流水線沖突有3種類型：結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突?？刂茮_突：流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。數(shù)據(jù)沖突有：寫后讀沖突（RAW） 在 i 寫入之前，j 先去讀。 j 讀出的內(nèi)容是錯(cuò)誤的。對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)相關(guān)寫后寫沖突（WAW） 在 i 寫入之前，j 先寫。最后寫入的結(jié)果是 i 的。錯(cuò)誤！對(duì)應(yīng)于輸出相關(guān)讀后寫沖突（WAR） 在 i 讀之前，j 先寫。i 讀出的內(nèi)容是錯(cuò)誤的！由反相關(guān)引起。定向技術(shù)：在某條指令產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果之

15、前，其他指令并不真正立即需要該計(jì)算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。流水線互鎖機(jī)制，插入“暫?！?。 作用：檢測發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，并使，直至沖突消失。 依靠編譯器解決數(shù)據(jù)沖突 讓編譯器重新組織指令順序來消除沖突，這種技術(shù)稱為指令調(diào)度或流水線調(diào)度?？刂茮_突 處理分支指令最簡單的方法：“凍結(jié)”或者“排空”流水線 。由分支指令引起的延遲稱為分支延遲。減少分支延遲的方法：預(yù)測分支失敗 允許分支指令后的指令繼續(xù)在流水線中流動(dòng)，就好象什么都沒發(fā)生似的。若確定分支失敗，將分支指令看作是一條普通指令，流水線正常流動(dòng)。若確定分支成功，流水線就把在分支指令之后取出

16、的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作，并按分支目地重新取指令執(zhí)行。要保證：分支結(jié)果出來之前不會(huì)改變處理機(jī)的狀態(tài)，以便一旦猜錯(cuò)時(shí)，處理機(jī)能夠回退到原先的狀態(tài)。預(yù)測分支成功 假設(shè)分支轉(zhuǎn)移成功，并從分支目標(biāo)地址處取指令執(zhí)行。起作用的前題：先知道分支目標(biāo)地址，后知道分支是否成功。前述5段流水線中，這種方法沒有任何好處。延遲分支主要思想： 從邏輯上“延長”分支指令的執(zhí)行時(shí)間。把延遲分支看成是由原來的分支指令和若干個(gè)延遲槽構(gòu)成，不管分支是否成功，都要按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。 分支延遲指令的調(diào)度任務(wù)：在延遲槽中放入有用的指令。由編譯器完成。能否帶來好處取決于編譯器能否把有用的指令調(diào)度到延遲槽中。三種調(diào)度方法： 從前調(diào)度

17、、從目標(biāo)處調(diào)度、從失敗處調(diào)度MIPS若檢測到RAW沖突，流水線互鎖機(jī)制必須在流水線中插入停頓，并使當(dāng)前正處于IF段和ID段的指令不再前進(jìn)。分支指令的條件測試和分支目標(biāo)地址計(jì)算在EX段完成，對(duì)PC的修改。向量處理機(jī)在流水線處理機(jī)中，設(shè)置向量數(shù)據(jù)表示和相應(yīng)的向量指令，稱為向量處理機(jī)。不具有向量數(shù)據(jù)表示和相應(yīng)的向量指令的流水線處理機(jī)，稱為標(biāo)量處理機(jī)。處理方式：1.向量計(jì)算是按行的方式從左到右橫向地進(jìn)行。組成循環(huán)程序進(jìn)行處理。i數(shù)據(jù)相關(guān)：N次 功能切換：2N次不適合于向量處理機(jī)的并行處理。2.向量計(jì)算是按列的方式從上到下縱向地進(jìn)行。兩條向量指令之間：數(shù)據(jù)相關(guān)：1次 功能切換：1次對(duì)處理機(jī)結(jié)構(gòu)的要求：存

18、儲(chǔ)器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)3.又稱為分組處理方式。把向量分成若干組，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組。對(duì)處理機(jī)結(jié)構(gòu)的要求：寄存器寄存器結(jié)構(gòu)提高向量處理機(jī)性能的方法：設(shè)置多個(gè)功能部件，使它們并行工作。采用鏈接技術(shù)，加快一串向量指令的執(zhí)行。采用循環(huán)開采技術(shù)，加快循環(huán)的處理。采用多處理機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高性能。鏈接技術(shù)鏈接特征：具有先寫后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和源向量沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進(jìn)行流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。鏈接特性的實(shí)質(zhì)：把流水線定向的思想引入到向量執(zhí)行過程的結(jié)果。第4章 指令級(jí)并行這種指令之間存在的潛在并行性稱為指令級(jí)并行。1.流水線處理機(jī)的實(shí)際CPI理想流水線的

19、CPI加上各類停頓的時(shí)鐘周期數(shù)： CPI流水線 = CPI理想 + 停頓結(jié)構(gòu)沖突 + 停頓數(shù)據(jù)沖突 + 停頓控制沖突理想CPI是衡量流水線最高性能的一個(gè)指標(biāo)。2.基本程序塊：一段除了入口和出口以外不包含其他分支的線性代碼段。3.循環(huán)級(jí)并行：使一個(gè)循環(huán)中的不同循環(huán)體并行執(zhí)行。4.程序順序：由源程序確定的在完全串行方式下指令的執(zhí)行順序。保持異常行為是指：無論怎么改變指令的執(zhí)行順序，都不能改變程序中異常的發(fā)生情況。數(shù)據(jù)流：指數(shù)據(jù)值從其產(chǎn)生者指令到其消費(fèi)者指令的實(shí)際流動(dòng)。靜態(tài)調(diào)度依靠編譯器對(duì)代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化。通過把相關(guān)的指令

20、拉開距離來減少可能產(chǎn)生的停頓。動(dòng)態(tài)調(diào)度在程序的執(zhí)行過程中，依靠專門硬件對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)度，減少數(shù)據(jù)相關(guān)導(dǎo)致的停頓不精確異常：當(dāng)執(zhí)行指令i導(dǎo)致發(fā)生異常時(shí)，處理機(jī)的現(xiàn)場（狀態(tài)）與嚴(yán)格按程序順序執(zhí)行時(shí)指令i的現(xiàn)場不同。精確異常：如果發(fā)生異常時(shí)，處理機(jī)的現(xiàn)場跟嚴(yán)格按程序順序執(zhí)行時(shí)指令i的現(xiàn)場相同。記分牌算法和Tomasulo算法是兩種比較典型的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。Tomasulo算法基本思想 1.核心思想記錄和檢測指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最小；通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。更多地依賴于硬件寄存器換名可以消除WAR沖突和WAW沖突。寄存器換名是通過保留站和流

21、出邏輯來共同完成的。Tomasulo算法具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：沖突檢測和指令執(zhí)行控制是分布的。每個(gè)功能部件的保留站中的信息決定了什么時(shí)候指令可以在該功能部件開始執(zhí)行。計(jì)算結(jié)果通過CDB直接從產(chǎn)生它的保留站傳送到所有需要它的功能部件，而不用經(jīng)過寄存器。每個(gè)保留站有以下幾個(gè)字段：Op：要對(duì)源操作數(shù)進(jìn)行的操作。Qj，Qk：將產(chǎn)生源操作數(shù)的保留站號(hào)。等于0表示操作數(shù)已經(jīng)就緒且在Vj或Vk中，或者不需要操作數(shù)。Vj，Vk：源操作數(shù)的值。對(duì)于每一個(gè)操作數(shù)來說，V或Q字段只有一個(gè)有效。對(duì)于load來說，Vk字段用于保存偏移量。Busy：為“yes”表示本保留站或緩沖單元“忙”。A：僅load和store緩沖器有該字段。開始是存放指令中的立即數(shù)字段，地址計(jì)算后存放有效地址。動(dòng)態(tài)分支預(yù)測：在程序運(yùn)行時(shí)，根