中山大學(xué)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)筆記

Ch1摩爾定律(芯片技術(shù))當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。安德厚定律計(jì)算機(jī)分類的依據(jù)：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用新的分類：個(gè)人移動(dòng)設(shè)備(PersonalMobileDevice(PMD)：智能手機(jī)、平板電腦等，強(qiáng)調(diào)高效和實(shí)時(shí)性；桌面計(jì)算(DesktopComputing)：PC業(yè)務(wù)，強(qiáng)調(diào)性價(jià)比(priceperformance)；服務(wù)器：強(qiáng)調(diào)可用性(availability)、規(guī)?；?可擴(kuò)展性(scalability)、吞吐率；倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)(Clusters/WarehouseScaleComputers(WSA)):用于軟件及服務(wù)(SaaS)服務(wù)，強(qiáng)調(diào)性價(jià)比和可用性。嵌入式計(jì)算(EmbeddedComputers):強(qiáng)調(diào)價(jià)格。>應(yīng)用程序中的兩種并行數(shù)據(jù)級(jí)并行(Data-LevelParallelism(DLP)):可以同時(shí)操作許多數(shù)據(jù)項(xiàng)任務(wù)級(jí)并行(Task-LevelParallelism(TLP)):創(chuàng)建一些能夠單獨(dú)處理但大量采用并行方式執(zhí)行的工作任務(wù)。Classesofarchitecturalparallelism/計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)DLP和TLP兩種并行的4種方式指令級(jí)并行(Instruction-LevelParallelism(ILP)):流水線向量體系結(jié)構(gòu)和圖形處理器(Vectorarchitectures/GraphicProcessorUnits(GPUs)):將單條指令并行應(yīng)用于一個(gè)數(shù)據(jù)集，以開發(fā)數(shù)據(jù)級(jí)并行。線程級(jí)并行(Thread-LevelParallelism)請(qǐng)求級(jí)并行(Request-LevelParallelism)心Flynn'sTaxonomy(弗林分類法)SISD——標(biāo)準(zhǔn)的順序計(jì)算機(jī)，可以利用指令級(jí)并行SIMD——開發(fā)數(shù)據(jù)級(jí)并行MISD——沒(méi)有這種類型的商用多處理器，但是包含這種類型后，分類變得完整MIMD——開發(fā)線程級(jí)并行?計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典：機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。e.g.X86一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)則包括組成與實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。>ISA(指令集體系結(jié)構(gòu))

ARM&&MIPS80x86ISA分類載入-存儲(chǔ)ISA寄存器-存儲(chǔ)器ISA存儲(chǔ)器尋址必須對(duì)齊不需要對(duì)齊尋址模式MIPS:寄存器尋址、立即數(shù)尋址、位移量尋址ARM:...+程序計(jì)數(shù)器尋址、兩個(gè)寄存器之和???+位移量的3種變化形式（寄存器間接尋址、基址尋址、變址尋址）操作數(shù)的類型和大小8、16、32、64、IEEE754浮點(diǎn)數(shù)還支持80位浮點(diǎn)數(shù)操作指令簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)流水化豐富、大控制流指令MIPS條件分支檢測(cè)寄存器中的內(nèi)容；ARM和MIPS將返回地址放在寄存器中和ARM分支測(cè)試條件代碼位；將返回地址放在存儲(chǔ)器的一個(gè)棧中ISA的編碼定長(zhǎng)32位變長(zhǎng)1-18字節(jié)>趨勢(shì)技術(shù)趨勢(shì)（5）集成電路邏輯技術(shù)；半導(dǎo)體DRAM；半導(dǎo)體閃存；磁盤技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能趨勢(shì)帶寬優(yōu)于時(shí)延集成電路中的功率和能耗趨勢(shì)在時(shí)鐘頻率和電源電壓保持不變的情況下，提咼能耗效率成本趨勢(shì)構(gòu)建成本：技術(shù)改進(jìn)運(yùn)行成本：需要高效利用能源來(lái)降低虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同的組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。WSC和服務(wù)器：相同：非常看重可用性WSC以很多廉價(jià)組件作為構(gòu)建模塊，依靠軟件層來(lái)捕獲和隔離在這一級(jí)別進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)生的許多故障。WSC的可擴(kuò)展性通過(guò)連接這些計(jì)算機(jī)的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，而服務(wù)器則是通過(guò)集成計(jì)算機(jī)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。WSA和超級(jí)計(jì)算機(jī)：相同：非常昂貴超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)調(diào)浮點(diǎn)性能，常用于運(yùn)行大型的、通信密集的批程序，這些程序可能一次運(yùn)行幾個(gè)星期。這種緊密耦合性決定了超級(jí)計(jì)算機(jī)要使用非?？焖俚膬?nèi)部網(wǎng)絡(luò)；而WSC則更重視互動(dòng)應(yīng)用程序、大規(guī)模存儲(chǔ)、可靠性和很高的因特網(wǎng)帶寬。

心PrinciplesofComputerDesign充分利用并行局部性原理（時(shí)間局部性、控件局部性）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。加速比依賴于兩個(gè)因素：可改進(jìn)比例和部件加速比加速比=總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間加速比=總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后（1一可改進(jìn)比例）+可改進(jìn)比例部件加速比⑤CPU性能公式CPU時(shí)間=指令數(shù)xCPIx時(shí)鐘周期數(shù)>MTTF:平均無(wú)故障時(shí)間MTTR:平均修復(fù)時(shí)間MTBF:平均故障間隔時(shí)間MTBF=MTTF+MTTR> Ch2>存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)服務(wù)器：CPU（寄存器）fL1緩存fL2緩存fL3緩存f存儲(chǔ)器f磁盤存儲(chǔ)PMD：CPU（寄存器）fL1緩存fL2緩存f存儲(chǔ)器f磁盤存儲(chǔ)>從用戶的角度來(lái)看，存儲(chǔ)器的三個(gè)主要指標(biāo)：容量、速度和價(jià)格（指每位價(jià)格）>從主存的角度來(lái)看：“Cache—主存”層次：彌補(bǔ)主存速度的不足“主存一輔存”層次：彌補(bǔ)主存容量的不足>全相聯(lián)：主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個(gè)位置。直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個(gè)位置。組相聯(lián)：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個(gè)組中的任何一個(gè)位置。

"Cache—主存”與“主存一輔存”層次的區(qū)別頂uCache-主存"層次“主存-舲磁目 的為了彌補(bǔ)主存速度的不足為了彌補(bǔ)主存容量的不足存緒理弼主要由專用碩件實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)訪間速度的比值第一級(jí)和第m幾比一幾百比_典型的塊（頁(yè)）大小幾十個(gè)字節(jié)幾詡幾樸川CPI-般二及的訪問(wèn)方式可直接訪問(wèn)均通過(guò)第一級(jí)失效時(shí)CPU是否切換不切換切換到其他進(jìn)程1?“寫"操作必須在確認(rèn)是命中后才可進(jìn)行"寫”訪問(wèn)有可能導(dǎo)致Caehe和主存內(nèi)容的不一致兩種寫策略寫策略是區(qū)分不同Cache設(shè)計(jì)方案的一個(gè)重要標(biāo)志。>寫直達(dá)法執(zhí)行“寫”操作時(shí)，不僅寫入Cache,而且也寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器。>寫回法（也稱為拷回法）執(zhí)行“寫”操作時(shí)，只寫入Cache.僅當(dāng)Oiche中相應(yīng)

的塊被替換時(shí)，才寫回主存。（設(shè)置“修改位”）平均訪存時(shí)間公式可以分為指令訪問(wèn)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)兩部分：平均訪存時(shí)間=指令所占的百分比X（指令命中時(shí)間+指令失效率X失效開銷）

十?dāng)?shù)據(jù)所占的百分比X（數(shù)據(jù)命中時(shí)間十?dāng)?shù)據(jù)失效率X失效開銷）1.稈序執(zhí)行時(shí)間CPU時(shí)間=（CPU執(zhí)行周期數(shù)+存儲(chǔ)器停頓周期數(shù)》X時(shí)鐘周期時(shí)間其中：存儲(chǔ)器停頓時(shí)鐘周期數(shù)=“讀”的次數(shù)X讀失效率X讀失效開銷+“寫”的次數(shù)X寫失效率X寫失效開銷存儲(chǔ)器停頓時(shí)鐘周期數(shù)=訪存次數(shù)X失效率X失效開銷訪存次數(shù)

指令數(shù)X失效率X失效開銷卜時(shí)鐘周期時(shí)間訪存次數(shù)

指令數(shù)X失效率X失效開銷卜時(shí)鐘周期時(shí)間每條指令的平均失效次數(shù)=盍奚譽(yù)扌曰令遜.訪存枕.數(shù)X失效率指令數(shù)寸間=7Cx|CJVs破”+存儲(chǔ)青作瞿期數(shù)）乂時(shí)鐘周期時(shí)間例5.2我們用一個(gè)和AlphaAXP類似的機(jī)器作為第一個(gè)例子口假設(shè)心證血失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)不考慮存儲(chǔ)器停頓時(shí)，所有指令的執(zhí)行時(shí)間都是迂0個(gè)時(shí)鐘周期，訪問(wèn)gche失效率為2%,平均每條指令訪存1.33次°試分析Ceiche對(duì)性能的影響口解別時(shí)間=心ICPI品+存儲(chǔ)科數(shù)X時(shí)鐘周期時(shí)間考慮C眈血的失效后，性能為：EPU時(shí)間^CMhfl=ICX（2.0+1.33X2%X50）X時(shí)鐘周期時(shí)間=ICX3.33X時(shí)鐘周期時(shí)間實(shí)際丹:3.3333/2.0=1.67（倍）QPU時(shí)間也增加為原來(lái)的1.研倍.但若不采用Cache,則=CPI=2.0+50X1.33=68.5>Cache對(duì)于低CPI、高時(shí)鐘頻率的CPU來(lái)說(shuō)更加重要。>優(yōu)化緩存性能的16種方法增大塊降低失效率增大緩存提高相聯(lián)程度采用多級(jí)緩存讓讀失效優(yōu)先于寫在緩存索引期間避免地址轉(zhuǎn)換縮短命中時(shí)間容量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的cache縮短命中時(shí)間路預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)緩存訪問(wèn)的流水化增加緩存帶寬采用無(wú)阻塞緩存采用多種緩存合并寫緩沖區(qū)降低缺失代價(jià)編譯器優(yōu)化（循環(huán)父換、分塊）降低缺失率對(duì)指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件預(yù)取降低缺失代價(jià)或缺失率用編譯器控制預(yù)取5.3.4VictimCache一種能減少?zèng)_突失效次數(shù)而又不影響時(shí)鐘頻率的方法?；舅枷?gt;在Cache和它從下一級(jí)存儲(chǔ)器調(diào)數(shù)據(jù)的通路之間設(shè)置一個(gè)全相聯(lián)的小Cache,用于存放被替換出去的塊(稱為Victim),以備重用。> Ch3SIMDvsMIMD(3個(gè)優(yōu)勢(shì))?SIMD的3種變體：向量體系結(jié)構(gòu)、多媒體SMD指令集擴(kuò)展、圖形處理單元GPUVMIPS的主要組件(4)流水線沖突是指對(duì)于具體的流水線來(lái)說(shuō)，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時(shí)鐘周期執(zhí)彳丁。流水線沖突有三種類型：結(jié)構(gòu)沖突、數(shù)據(jù)沖突、控制沖突1.最基本的開發(fā)循環(huán)級(jí)并行的技術(shù)>循環(huán)展開(loopunrolIing)技術(shù)》 >采用向量扌旨令和向量數(shù)扌啟表示Tomasulo算法：核心思想：記錄和檢測(cè)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(guò)寄存器換名來(lái)消除WAR沖突和WAW沖突。 >緩存一致性協(xié)議(Cachecoherenceprotocols):為多個(gè)處理器保存緩存一致性的協(xié)議>解決緩存一致性的兩種協(xié)議：基于目錄的協(xié)議(directorybased):用特定的物理存儲(chǔ)快來(lái)保存每一個(gè)塊的共享狀態(tài)。監(jiān)聽式的協(xié)議(snooping):如果一個(gè)緩存擁有某一物理存儲(chǔ)器塊中的數(shù)據(jù)副本，它就可以跟蹤該塊的共享狀態(tài)。>監(jiān)聽一致性協(xié)議寫入失效協(xié)議(writeinvalidateprotocol):確保處理器在寫入某一數(shù)據(jù)項(xiàng)之前，獲取對(duì)改數(shù)據(jù)項(xiàng)的獨(dú)占訪問(wèn)，在執(zhí)行寫操作時(shí)會(huì)使其他副本失效。使用總線來(lái)執(zhí)行失效操作。在獲得總線訪問(wèn)權(quán)限之前，無(wú)法實(shí)際完成共享數(shù)據(jù)項(xiàng)的寫入操作。寫入更新協(xié)議(writeupdate):在寫入一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)更新該數(shù)據(jù)項(xiàng)的所有緩存副本計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程：數(shù)據(jù)處理、信息處理、知識(shí)處理、智能處理解決一致性問(wèn)題的策略： >WSCv.s.HPCHPC的處理器和節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通常比WSC中快得多，因?yàn)镠PC應(yīng)用程序的獨(dú)立性更強(qiáng)，通信更頻繁。HPC傾向于使用定制硬件(特別是在網(wǎng)絡(luò)中)，通常不能通過(guò)使用大眾化商用芯片來(lái)降低成本。HPC強(qiáng)調(diào)線程級(jí)并行或數(shù)據(jù)級(jí)并行，通常強(qiáng)調(diào)完成單項(xiàng)任務(wù)的延遲，WSC強(qiáng)調(diào)請(qǐng)求級(jí)并行。HPC集群通常擁有長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行的作業(yè)，會(huì)使服務(wù)器滿荷運(yùn)行，甚至能持續(xù)數(shù)周以上，而WSC中服務(wù)器的利用率在10%-50%之間，而且每天都會(huì)發(fā)生變化。WSCv.s.Datacenters數(shù)據(jù)中心集不同的硬件和軟件于一身，為一家組織中的不同客戶提供服務(wù)oWSC使倉(cāng)庫(kù)中的硬件和軟件看起來(lái)像只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，只是在上面運(yùn)行著各種不同的應(yīng)用程序。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的最大成本是維護(hù)人員的費(fèi)用，WSC中，服務(wù)器硬件是最大的成本。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心不具備WSC的規(guī)模，無(wú)法獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，也沒(méi)有WSC面對(duì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，無(wú)論是體系結(jié)構(gòu)方面還是運(yùn)轉(zhuǎn)方面。WSC的成本構(gòu)建成本【Capitalexpenditures(CAPEX)資本性支出】：服務(wù)器、電力與制冷基礎(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、其他基礎(chǔ)設(shè)備運(yùn)行成本【Operationalexpenditures(OPEX)運(yùn)行性支出】：用電成本、安全與設(shè)施管理人力成本PUE(PowerUtilizationEffectiveness功率利用效率) 測(cè)量WSC的效率PUE=總設(shè)施功率/IT設(shè)備功率PUE三1，PUE越大，WSC的效率就越低云計(jì)算的三個(gè)特點(diǎn)：風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移、成本相關(guān)性、按需付費(fèi)云計(jì)算服務(wù)的框架一一“SPI”。這個(gè)縮寫代表著云計(jì)算提供的三種主要的服務(wù)：軟件即服務(wù)(software-as-a-service,SaaS)，平臺(tái)即服務(wù)(platform-as-a-service,PaaS)，以及基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure-as-a-service,IaaS)。圖2-3描述了云計(jì)算的服務(wù)、用戶和類型之間的關(guān)系。最燙用戶平臺(tái)提洪商服箸接口按使用重收費(fèi)按里收喪朋勢(shì)接口應(yīng)用朋箸提供商XASP^-ApplicationServiceProvider^基礎(chǔ)設(shè)施即朋務(wù)（IaaS）按使用里收費(fèi)云計(jì)算荃礎(chǔ)設(shè)施提供商/虛擬化層）最燙用戶平臺(tái)提洪商服箸接口按使用重收費(fèi)按里收喪朋勢(shì)接口應(yīng)用朋箸提供商XASP^-ApplicationServiceProvider^基礎(chǔ)設(shè)施即朋務(wù)（IaaS）按使用里收費(fèi)云計(jì)算荃礎(chǔ)設(shè)施提供商/虛擬化層）性能的發(fā)展趨勢(shì)一一帶寬優(yōu)于時(shí)延2014.10.163計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展得益于兩個(gè)方面：計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的透明性舉例：浮點(diǎn)運(yùn)算器、多核透明性一虛擬化一云計(jì)算計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：必考：定量原理（5個(gè)）30%1、以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)（大概率事件優(yōu)先原則）2014、10、23軟件應(yīng)滿足可以向上和向后兼容。解釋方法：一條一條指令地調(diào)進(jìn)內(nèi)存，一條一條地解釋。時(shí)間長(zhǎng)但花費(fèi)空間少提高并行性的技術(shù)途徑:時(shí)間重疊（流水技術(shù)）資源重復(fù)：引入空間因素，以數(shù)量取勝。資源共享計(jì)算機(jī)的分類劃代主要以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)2014.10.30優(yōu)化緩存性能的16種方法（必考）2014.11.27第四章考試比例較小開發(fā)ILP涉及到的主要技術(shù)（可能考）參考課件后的：ILP研究中為客服各種停頓所采取的相關(guān)技術(shù)。2014.12.4開放考題：GPU、云計(jì)算（軟件級(jí)服務(wù)，平臺(tái)式服務(wù)。。。3個(gè)）（與書上第六章相關(guān)，并適當(dāng)查詢新資料）E.g.超算中心有什么特別之處（可能考）Thamosulo算法核心思想、基本概念第四章沒(méi)有計(jì)算題，主要考GPU和SIMD...SIMD的三個(gè)變體加速比（必考）2014.12.18考點(diǎn)：看書上相關(guān)的例子重新寫消除相關(guān)（寄存器重命名）期末考試不考流水線2014.12.25考：填空：云計(jì)算的三個(gè)特點(diǎn)：風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移、成本相關(guān)性、按需付費(fèi)考：概念題：PUEPUE總是大于等于1PUE等于1最佳大于1時(shí)說(shuō)明資源浪費(fèi)考：解釋W(xué)SC的成本：構(gòu)建成本和運(yùn)行成本畫出SPM模型（3個(gè)服務(wù)）HPC服務(wù)器2015.1.8（考點(diǎn)）計(jì)算機(jī)性能的變遷：從單處理器到多核將來(lái)的計(jì)算機(jī)：智能并行性分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相聯(lián)3C4C模式3C模式：強(qiáng)制（Compulsory）、容量（Capacity）、沖突（Conflict）、一致性（Coherency）缺失平均訪存公式優(yōu)化（6基本+10高級(jí)（分5類））三、 相關(guān)ILP流水線消除停頓的方法不計(jì)算Tomasulo算法基本思想CPIIPC相關(guān)性在數(shù)組的情況下如何解決相關(guān)性四、SIMD的三種變體數(shù)據(jù)級(jí)并行相關(guān)性的引申第四章的相關(guān)性的例子五、 （期中測(cè)過(guò)）兩個(gè)協(xié)議解決一次性問(wèn)題的策略倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施和價(jià)格——運(yùn)行成本（制冷等）PUE的公式構(gòu)建成本和運(yùn)行成本云計(jì)算訃算機(jī)休系結(jié)構(gòu)和關(guān)公式1.CPU時(shí)伺比旨令數(shù)xCPIx時(shí)鐘周期時(shí)間2X的速度杲丫的門倍：n茫執(zhí)行時(shí)閭丫/執(zhí)行時(shí)同?=料就J件能yAmdahl逞律:總加速比=療抗行時(shí)間（總加速比=療抗行時(shí)間（1-升級(jí)比例H升級(jí)比例

升級(jí)加速比4?能耗*容性負(fù)菽*電壓“5.功率立工g*容性負(fù)載龍電壓S開關(guān)頻率6.功率曲x電流機(jī)*電壓7