计算机系统结构要点.docx
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计算机系统结构要点
第一章计算机系统结构的基础知识
计算机系统结构含义，分类（FLYNN）
计算机系统结构含义
指机器语言程序的设计者或编译程序者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性
计算机系统结构分类
1弗林（FLYNN）分类法
单指令单数据SISD代表:
传统的单处理机
单指令多数据SIMD代表:
阵列处理机或者并行处理机
多指令单数据MISD代表:
无
多指令多数据MIMD代表:
多处理机系统
2冯氏分类法
3汉德勒（Handler）法
计算机系统设计的原则（三条），阿姆达尔（Amdahl）定律
1.计算机系统设计的原则
（一）加速那些使用频率高的部件——提高整个计算机性能
（二）Amdahl定律
（三）程序访问局部性原理
2.Amdahl定律
系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。
Sp=Te/T0=1/（（1-fe）+fe/re）
注释:
Te:
采用改进措施前执行某任务系统所用的时间；
T0:
采用改进措施后所需的时间；
fe:
可改进部分在原系统计算时间中所占的比例，总是小于1；
re:
性能提高的倍数（T部件改进前/T部件改进后），总是大于1。
计算机性能指标参数（CPI、MIPS、吞吐率，加速比）
n
CPI（每条指令执行所需的时钟周期数）:
=∑（CPIi×Ii/In）
i=1
Tcpu（CPU执行指令所用的时间）=INCPITc
MIPS（每秒执行百万条指令）=IN/Te=Rc/（CPI×106）
加速比Sp=Te/T0=1/（（1-fe）+fe/re）
注释:
主频:
时钟频率Tc=1/时钟频率
Ii/In:
第i类指令在总程序中占的比例；Tc:
时钟周期；IN:
指令数
Te:
执行指令所需的时间Rc:
时钟频率
冯·诺依曼机器特点，计算机系统结构发展
1.冯·诺依曼机器特点
1）以运算器为中心，除了完成运算以外，机器内部的数据传送都经过运算器，控制器集中制。
2）存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构。
3）程序存储，指令和数据都存放在存储器中。
4）指令在存储器中按其执行顺序存放，由一个顺序控制器指定即将被执行的指令地址。
5）指令由操作码和地址码组成。
6）数据以二进制表示。
2.计算机系统结构发展
冯.诺依曼结构图
技术改进
1）计算机系统结构从基于串行算法改为适应并行算法
2）数据类型增加
3）指令种类、寻址方式增加
4）以存储器为中心
5）处理器采用新技术——堆栈、流水等
软件对系统结构的影响
1）同一高级语言
2）采用系列机思想
3）模拟与仿真
影响计算机系统结构发展的因素主要包括软件、应用需求和器件
第二章数据表示、寻址方式与指令系统
数据类型和数据表示
数据类型
数据类型:
指一组数据值的集合，还定义了可作用于这个集合上的操作集。
分类：
基本数据类型，结构数据类型，抽象数据类型和访问指针。
计算机中常用数据有三类：
1）用户定义的数据
2）系统数据
3）指令数据
数据表示
数据表示：
指在计算机中能由硬件直接辩认,指令系统可以直接调用的数据类型。
数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题。
自定义数据表示定义、分类及优,缺点
目的:
为了缩短机器语言同高级语言对数据属性的说明之间的语义差距。
自定义数据表示：
由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。
分类：
1）带标志符的数据表示
2）数据描述符
带标志符的数据表示：
描述简单数据,标志符是和每个数据值相连，存在同一存贮单元内。
优点：
1）简化了指令系统。
2）容易检出程序编制中的错误。
3）简化了编译程序。
4）支持数据库系统。
5）简化了程序设计。
6）便于软件测试，支持应用软件开发
缺点:
1）数据字长增加。
2）降低了指令的微观执行速度。
3）与其他计算机的兼容性差，硬件复杂。
数据描述符：
用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等，描述符专用来描述所要访问数据的特性，它和数据字分开存储，机器经描述符形成访问每个元素的地址及其他信息，增加一级以上寻址，（描述符或数据字）而数据字本身又是带标志符数据表示。
与带标志符数据表示不同之处：
1）标志符要与每个数据相连，两者合存在一个存储器单元中；而描述符则和数据分开放；
2）要访问数据集中的元素时，必须先访问描述符，这就至少要增加一级寻址；
3）描述符可看成是程序一部分，而不是数据一部分，因为它是专门来描述要访问的数据的特性。
哈夫曼概念及在计算机中应用，操作码编码法
用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：
（1）将要编码的字符按出现频率的次序排列，频率相等的符号可任意排列；
（2）把出现频率最小的两个符号合并，并将其频率相加，按相加后的频率次序重新排序；
（3）继续过程
（2），直至只剩下两个频率，此后以相反过程进行编码；
（4）对最后两个频率分别指定代码0和1；
（5）若某一频率由两个频率相加而成，则分别指定这两个频的下一个代码为0或1；（左边为1,右边为0）
（6）继续过程（5），直到所有符号均已指定不同代码为止。
操作码表示的平均长度
L=∑li*PiLi：
第i个操作码的长度
操作码编码法
1）固定长度操作码.
2）Huffman编码法
3）扩展编码法.
指令系统编码方法，指令系统设计功能要求
1）正交法
指令中的每个分段（包括操作码、操作数地址等）相互独立，操作数地址的编码同操作码无关，反之亦然。
优点：
对流水机特别适用，微程序控制数量减少
2）整体法
指令中各个分段在译码时相互有关，操作码同操作数地址的分界线并不清楚。
优点：
可以把使用频度高的操作码同操作数地址码组合起来，加以缩短优化，而使用频度低的可以较长些,这样可以节省存贮容量。
缺点：
在用微程序控制时，微程序数量较多，需要有较大的微程序存贮器。
3）混合法
这种方法把上两种方法的优点结合起来。
指令系统设计功能要求
1）完备性：
要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统愈丰富，功能愈强，编译程序愈好写好用，运用范围愈广
2）规整性，均匀性：
要使相似的操作具有相同的规定，所有操作都均匀对称地在存储器和寄存器单元间进行，尽可能甚至不出现例外情况和特殊用法。
3）正交性：
编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、操作类型都互相独立，这样便于处理，也减轻编译负担。
4）可组合性：
指令系统对所有的寻址方式和所有数据类型都能适用，简化编译程序的代码生成。
从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到：
1）兼容性：
指令系统设计多次反复，注意简单周到，还应注意系列机中软件兼容性。
2）可扩性：
保留一定余量的操作码空间，为以后扩展用，并适应工艺技术的新发展。
3）指令码高密度性：
对于那些频度高的指令串可以进行优化，设计新指令代替，提高指令码密度，减少存储容量和访问存储器次数，以提高效率。
指令系统设计和优化
设计指令时，要考虑三个因素：
速度，价格，灵活性；
功能基本要求完整性、规整性、高效率和兼容性。
指令格式优化
目的：
如何用最短的位数表示指令的操作信息和地址信息，用最短的时间处理频度高的指令，使二者之间有最佳配合以减少指令字中冗余信息以及用最少信息位来表示所需的操作信息和地址信息。
（一）操作码的优化
1）哈夫曼编码
2）操作码的扩展
（二）指令格式的优化
地址码表示和寻址方式采取相应优化措施，程序所需总位数才得以减少。
由于操作数地址是随机的无规律可循，归结为指令格式的优化。
地址码优化时应注意的问题：
（1）操作数地址码长度可在很宽的范围内变化，只要恰当安排就可与变长操作码很好合成定长指令；
（2）通过改变指令字中的地址数和地址码的长度，以使单地址、双地址甚至三地址都可以在指令中使用；
（3）如果操作数存在寄存器内，或是经寄存器实现间接寻址，则指令地址码的宽度能指明寄存器号即可；
（4）设法利用空白处存放立即操作数或常数。
两种指令系统风格，特点（RISC、CISC）
（一）复杂指令集计算机（CISC）
特点：
1）指令的控制执行是采用微程序控制技术，有专用的寄存器。
2）控制器十分复杂，占用了大量CPU芯片面积，有些复杂指令用的很少，难以用优化编译生成高效目标代码。
3）处理器的执行效率不高。
4）指令系统与软件之间语义差别越来越大，软件设计任务十分繁重，整个设计风格不是十分经济有效的。
缺点：
①指令系统庞大②硬件复杂③执行速度低④编译程序复杂、长⑤部分指令使用效率低
（二）精简指令系统计算机（RISC）
基本思想：
通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度，使指令简单，有效可行
RISC主要特征
1）指令格式简单化、规整化（寄存器-寄存器型）
2）基本是单周期操作（指令功能和执行周期权衡选择）
3）分开的存取指令数据，引入多级Cache
4）面向寄存器堆的结构
5）充分提高流水线效率（用各种技术减少相关阻塞）
6）采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）
7）采用优化编译技术，很好地支持高级语言
可以看出RISC结构的Tcpu值远比CISC结构的Tcpu值小，RISC是通过减少CPI值简化结构来减少Tcpu,而CISC是通过减少IN值来减少Tcpu的。
RISC中寄存器管理方式由三类模型：
窗口（Windows）模型、Cache模型、矩阵模型。
RISC都是二级或三级存储层次，即在主存和CPU之间加一级或二级高速缓冲存储器（Cache）。
简述RISC的设计思想起源和主要技术
RISC设计思想的起源
1）20%-80%定律
2）系统设计中硬件和软件之间折衷
3）VLSI工艺技术发展
RISC的主要技术
1）流水线结构和指令调度
RISC主要特点之一是充分提高流水线效率。
2）寄存器窗口
寄存器窗口技术：
就是把整个寄存器组分成很多小组，每个过程分配一个寄存器小组，当发生过程调用时，自动地把CPU转换到不同的寄存器小组使用，不再需要作保存和恢复的操作，这个寄存器小组就叫做寄存器窗口，相邻的寄存器窗口间有部分是重叠的，便于调用参数传送。
优点：
显著减少过程调用和返回执行时间、执行的指令条数和访问存储器的次数。
3）优化编译技术
RISC机中所采用的编译技术突出了两点：
一是如何最佳分配寄存器堆中的寄存器，使数据有效地减少对存储器的访问；二是设法对程序中的指令序列在保持原来语义基础上进行重新排序和调度，进行并行性的开发。
RISC优点：
1）RISC指令系统条数少，简单对称，这减轻了编译程序的负担.；
2）RISC寻址方式简单，只有LOAD和STORE指令访问存储器。
其它操作均在通用寄存器中进行，这简化了寻址方式和访存操作；
3）大多数指令在一个周期内完成，为优化编译器进行调整指令流序列，减少相关，提高并行度带来了方便；
RISC对优化编译器带来的困难：
1）优化编辑器必须选择变量存放位置,在哪个通用寄存器中以便充分发挥通用寄存器效率
2）优化编译器要进行数据相关和控制相关进行分析处理，和硬件配合实现指令延迟转移或取消或重新排序。
3）对于RISC要设计复杂的子程序库，因为在CISC中一些复杂指令在RISC中是由一级子程序来实现的。
4）编译优化要和机器的体系结构、编译程序技术结合进行。
如对于每个时钟周期能发送多条独立指令的超标量计算机编译程序必须正确分析，合理调度，才能更好的提高效率。
三、并行主存与存储体系
存储系统三个特性（局部性、一致性、包含性）
包含性
在容量大的存储器中，一定能找到上层存储信息的副本。
一致性
副本修改，以保持同一信息的一致性。
存储层次结构概念和性能参数（T，S，C）
通用寄存器M1第一层;高速缓冲存储器M2第二层;主存储器M3第三层;
辅助存储器M4第四层;脱机大容量存储器M5第五层
层数越大,容量越大,速度越慢即第一层速度最快第五层容量最大
1.存储器速度T
存储器访问周期，与命中率有关。
2.存储容量S
以字节数表示，单位为B、KB、MB、GB、TB等。
3.存储器价格C
表示单位容量的平均价值单位为＄C/bit或＄C/KB。
CACHE引入目的、特点（和虚拟存储器比）、需解决的问题
目的：
提高CPU对存储器的访问速度。
Cache
虚拟存储器
功能
提高了主存储器的速度
扩大了主存储器的容量
实现技术
硬件
以软件为主
透明性
透明
不透明
地址转换
简单
复杂速度慢
CACHE-主存地址映象变换概念？
几种主要方式（全相联、直接、组相联）特点计算
地址映像是指某一数据在主存中的地址与在缓存中的地址两者之间的关系。
三种地址映像：
1.全相联方式
1）主存与缓存分成相同大小的数据块。
2）主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块的空间中。
优点：
命中率较高，Cache的存储空间利用率高；
缺点：
线路复杂，成本高，速度低。
主存/缓存地址格式从0开始至n-1;2n=主存/缓存大小
主存块号
块内地址
主存地址格式:
缓存块号
块内地址
缓存地址格式:
主存地址（=缓存块号）
缓存地址（=缓存块号）
有效位（1位）
目录表格式:
容量：
应与缓存块数量相同
2.直接相联方式
1.主存与缓存分成同样大小的块；
2.主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等；
3.主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。
优点：
简单；
缺点：
命中率低。
区号
区内块号（=缓存块号）
块内地址（=缓存块内地址）
主存地址格式:
缓存块号
块内地址
缓存地址格式:
主存区号
有效位（1位）
目录表格式:
容量：
应与缓存块数量相同
3.组相联
1.主存与缓存分成相同大小的块;
2.主存与缓存分成相同大小的组;
3.主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。
4.组间直接相联；组内全相联。
优点：
速度快，命中率高；
区号
组号（=缓存组号）
块号（=缓存块号）
块内地址（=缓存块内地址）
组号
块号
块内地址
主存地址格式:
缓存地址格式:
区号（=主存区号）
主存块号
缓存块号
装入位（1位）
目录表格式:
相关存储器的容量，应与缓存的块数相同，即:
组数×组内块数
几种替换算法分类；简述LRU替换算法
1.随机法：
（Random,RAND法）
2.先进先出法（First-InFirst-Out,FIFO法）
3.近期最少使用法（LeastRecentlyUsed,LRU法）
4.最久没有使用法（LeastFrequentlyUsed,LFU法）
LRU法是依据各块使用的情况，总是选择那个最近最少使用的块被替换。
这种方法比较好的反映了程序局部性规律。
因为最近最少使用的块，很可能在将来的近期也很少使用，所以LRU法的命中率比较高。
缺点：
实现起来比较困难，它不但要记录每块使用次数的多少，而且要反映出近期使用的次数。
CACHE写操作的更新策略，CACHE的性能（命中率，加速比，平均访问时间）
（1）全写法，亦称写直达法（WT法——Writethrough）：
在对Cache进行写操作的同时，也对主存该内容进行写入。
（2）写回法（WB法——Writeback）：
在CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存；需要替换时，把修改过的块写回主存。
（3）写不命中法
CACHE的性能
Cache透明性分析
1）Cache存储器的地址变换和块替换算法全由硬件实现；
2）Cache-主存存储层次对应用程序员和系统程序员都是透明的；
3）Cache对处理机和主存之间的信息交往是透明的。
一、Cache的命中率
1.Cache的容量对命中率的影响
容量越大则命中率越高。
当容量由很小开始增加时命中率增加的比较明显当容量达到一定程度，容量增加命中率改善的并不大。
2.Cache块的大小对命中率的影响
当块的容量加大命中率明显的增加，但增加到一定值后反而出现块增加命中率下降的现象。
这是因为块容量大到一定程度，进入块内的数据，已不符合程序局部性规律了；块越大在一定量的Cache中包含的块数就越小，则命中率就降低了。
3.地址映像方式对命中率的影响
（1）直接相联法命中率比较低。
（2）全相联方式命中率比较高，但难以实现。
（3）组相联方式中，主要是分组的数目对命中率的影响比较明显。
由于主存与Cache的组之间是直接相联方式，当组数分的越多，则命中率就要下降，当组数比较少时这种影响不明显，当组数大到一定程度，则影响就很大
二、Cache系统的加速比：
平均访存时间:
加速比:
Tc：
Cache的访问周期；
Tm：
主存储器的访问周期；
Hc：
Cache的命中率
三、存储系统的访问效率：
存储保护
原因：
（1）为了防止由于一个用户程序出错而破坏主存中其他用户的程序或系统软件；
（2）防止一个用户程序不合法地访问不是分配给它的主存区域，即使不会引起破坏。
（一）加界保护方式：
在CPU中设置了多个界限寄存器，由系统软件经特权指令指定，禁止越界。
（二）键保护方式：
锁：
将主存的每一页都设置一个存储键，给予一个键号，此键号存放在快表的表目中，相当于一把“锁”。
所有页的存储键在主存相应的快速寄存器内，每个用户的各实页的存储键都相同。
钥匙：
访问键。
由操作系统给定，存在程序状态字中。
过程：
每次访问主存，首先进行键号比较，如果键号相等才允许访问。
如同一把钥匙开一把锁。
存放键与程序键键号的分配，由操作系统完成。
（3）环保护方式
访问方式的保护：
对内存的信息可以有三种访问操作，即读、写、执行访问方式
（1）可读，可写，可以执行
（2）可读，可执行，不可写
（3）只可读，不可写，不可执行
（4）只可读，可写，不可执行，例如数据
（5）只能执行不可读写，例如专用程序
提高存储器频带宽度方法
多个存储器并行工作，并用并行访问和交叉访问等方法
第四章重叠、流水和向量流水处理机
流水概念，分级，分类，特点
1.流水线的基本概念
流水线技术：
将一个重复的时序过程分成若干个子过程，每个子过程都可有效的在其专用功能段上和其它子过程同时执行的一种技术。
流水线的基本结构中主要包括三大部分：
锁存器、时钟、功能段（站）。
2.流水线的分级：
（按处理的级别分级）
操作部件级（arithmeticpipelining）：
将复杂的算逻运算组成流水工作方式；
指令级（instructionpipelining）：
把一条指令解释过程分成多个子过程；
处理机级或宏流水线级（macropipelining）：
由两个以上处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成某一专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所共享的存储器中。
3.流水线的分类：
1）按功能分类：
单功能流水线（unifunctionpipelining）：
只能实现一种固定的专门功能的流水线（如CRAY-1）。
多功能流水线（multifunctionpipelining）：
通过各站间的不同连接方式可以同时或不同时地实现多种功能的流水线（如TI-ASC）。
2）按工作方式分类：
静态流水线（staticpipelining）：
在同一时间内各功能段只能按一种运算（功能）的连接方式工作。
动态流水线（dynamicpipelining）：
在同一时间内各功能段允许按多种不同运算（功能）的连接方式工作。
特点：
静态流水线仅当指令都是同一类型时才能连续不断地执行。
当从一种功能方式变为另一种功能方式时，必须先排空流水线，然后再切换成另一种功能进行流水处理。
静态流水线的功能不能频繁地变换，否则它的效率将很低。
动态流水线可以提高流水线的吞吐率和设备的利用率。
3）按连接方式（流水线中是否有反馈回路）分类:
线性流水线（linearpipelining）：
从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。
一般的流水线均属于这一类。
非线性流水线（non-linearpipelining）：
存在反馈回路，从输入到输出过程中，某些功能段将数次通过流水线，这种流水线常用于进行递归运算。
4.流水线特点：
1）流水一定重叠，比重叠更苛刻。
2）一条流水线通常由多个流水段组成。
3）每段有专用功能部件，各部件顺序连接，不断流。
4）流水线有建立时间、满载时间、排空时间，
5）各段时间尽量短、一致，不一致时最慢子过程为瓶颈。
6）给出的最大吞吐率等指标，为满负载最佳指标。
CPU工作方式:
1.顺序
n
T=∑（t取指i+t分析i+t执行i）
i=1
优点：
控制简单；
缺点：
速度慢，机器各部件的利用率很低。
2.重叠
两条相邻指令的解释过程中,某些不同解释阶段在时间上存在重叠部分
3.流水
流水线性能指标及分析、计算（Tp、E、Sp等）
1．吞吐率（TP,ThroughputRate）：
单位时间内能处理的指令条数或能输出的数据量
1）最大吞吐率
2）“瓶颈”子过程
解决瓶颈有两种方法：
1.瓶颈段细分
2.重复设置瓶颈流水段
3）实际吞吐率
TP=n/（m×t0+（n-1）t0）
=（任务数n）/（从开始流入到n个任务的时间）
2.效率（Efficiency）：
即在整个运行时间里，流水线的设备有多少时间是真正用于工作的。
直接反映了处理机结构的有效程度。
η（E）=n个任务实际占用的时-空区/m个段总的时-空区
3.加速比（SpeedupRatio）指采用流水方式后的工作速度与等效的顺序串行方式的工作之比
Sp=（n×m×t0）/（m×t0+（n-1）t0）
=n个任务实际占用的时-空区/完成n条指令的解释共需时间
注释:
m：
指令流水线的段数；
t0:
各段经过的时间；
n：
指令条数;
完成n条指令的解释共需时间:
T=m×t0+（n-1）t0
流水线三种冲突（资源，数据，控制相关）的概念和处理方法
1.资源相关
资源相关是指当有多条指令进入流水线后在同一机器周期内争用同一功能部件所发生的冲突。
解决方法：
（1）使i+3指令停顿一拍进入流水线，以解决访存相关。
（2）重复设置一个存储器。
2.数据相关
数据相关：
当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而前面的指令均在流水线中重叠执行，还未产生相应的结果时，就会引起“数据相关”。
解决数据相关的方法：
（可采用软件和硬件技术）
1）时间推后法
2）旁路技术或相关专用通路技术（定向技术）
3）定向技术：
将一个计算结果直接传送到所有需要它的功能单元的输入端
3.
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