计算机系统结构复件复习.ppt
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1、计算机系统结构复习,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,复习,一、考试方式笔试,开卷二、考试时间100分钟三、考试题型(1)填空题(2)单选题(3)判断题(4)名词解释(5)简答题(6)设计与计算题四、复习范围与重点,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,第1章 计算机系统结构的基本概念,1、层次结构(P1)从计算机语言的角度,可将通用计算机系统划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。按由低层到高层的顺序,各层分别是:,微程序机器级传统机器语言机器级操作系统机器级汇编语言机器级高级语言机器级应用语言机器级,计算机系统结构(第二
2、版)华中科技大学出版社,2、透明性(P3)从计算机系统的某一层的使用者角度看,只需通过该层的语言就可以使用机器,而不必关心其下层的机器级是如何工作和如何实现对上层的支持。计算机系统的“透明”是看不到的意思,即对某一层的使用者来说,他看不到该层以下各层的机器属性。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,12、并行性(P5)同一时刻或同一时间间隔内发生两种或两种以上性质相同或不相同的事件。13、同时性(P6)两个或多个事件在同一时刻发生。14、并发性(P6)两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,15、提高计算机系统的并行性的3类技术途径(P6):时
3、间重叠 资源重复 资源共享,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,第2章 指令系统,1、操作码编码的3种方法(P30)定长(等长)编码哈夫曼编码扩展编码2、定长编码(P30)所有指令的操作码长度都是相等的编码方法。如果需要编码的操作码有n 个,定长操作码的位数最少需要 位。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3、哈夫曼(Huffman)编码(P30):使用哈夫曼算法构造哈夫曼树来进行编码的编码方法。构造哈夫曼树的算法:从结点集中选择出2个频度最小的结点,将其合并成频度为这两个频度之和的父结点;若结点集不为空集,就将生成的新结点放到结点集中,继续从这个新的结点集中选择出2个频度最
4、小的结点生成其父结点;若结点集为空集,就生成了一棵哈夫曼树。对每个结点的两个分支分别用“0”和“1”标识.从根结点到一个叶结点的路径(由0和1组成的序列)就是这个叶结点的哈夫曼编码。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,4、扩展编码的2种表示方法(P30)码长表示法:用短横线前后的数字分别表示短码码长和长码码长。码点数表示法:用斜线前后的数字分别表示短码码点个数和长码码点个数5、平均码长(P30),计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,【例2.3】【2.15】【2.16】【2.17】,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,第3章 流水技术与流水处理机 3.1 指令重叠与先行
5、控制,1、指令顺序执行方式(P44)指令之间顺序串行,且指令内的各个阶段之间也是顺序串行执行的方式。2、指令重叠执行方式(P45)如果处理机在结构上能使执行指令各阶段功能的部件或段(segment)相互独立,而且各段完成相应功能的所需时间尽可能相等,那么,就可以把一个指令序列中的多条指令在时间上重叠起来执行。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.2 流水线的分类与时空图,3、流水处理方式(P47)把一个需要反复进行的过程分离为若干独立的子过程,每个子过程与其他子过程同时处理不同的对象。流水处理方式是利用时间重叠的并行技术来开发计算机系统的并行性。,计算机系统结构(第二版)华中科技大
6、学出版社,3.2.1 流水线的分类,(1)部件级流水线、处理机级流水线和系统级流水线(P47)部件级流水线 由部件内各子部件组成的流水线。处理机级流水线 处理机内的各部件之间的流水线。系统级流水线 处理机之间的流水线,它又称为宏流水线。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,(2)线性流水线与非线性流水线(P48)线性流水线 流水线的各个段之间串行连接,处理对象顺序流经流水线各段最多一次的流水线。非线性流水线 流水线的各段之间除有串行连接之外,还有反馈回路,从而使处理对象流经某个段或某几个段多次的流水线。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,(3)单功能流水线与多功能流水线(P4
7、8)单功能流水线 流水线的各段之间的连接固定不变,因此只能完成一种固定功能的流水线。多功能流水线 流水线的各段之间可以实现不同的连接,流水线能通过不同的连接实现不同的处理功能。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,(4)静态流水线与动态流水线(P48)静态流水线 在同一段时间内,多功能流水线只能实现一种连接,从而只能执行一种功能,且只有在按照这种连接已流入的所有处理对象都流出流水线后,才能重新连接以实现另一种功能。动态流水线 在同一段时间内,多功能流水线的各段可以实现多种连接,从而同时执行多种功能。流水线中的任何一个功能段只能参加到一种连接中。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版
8、社,3.3 线性流水线的性能计算,流水线的吞吐率(P51)流水线单位时间输出结果的数量。(1)各段执行时间相等的吞吐率(P51)流水线的实际吞吐率(2)各段执行时间不等的吞吐率(P52),计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,消除流水线的瓶颈段的方法(P52)分离瓶颈段:把流水线中的瓶颈功能段分离成为几个独立的子功能段,消除各段执行时间的“瓶颈”。重复设置瓶颈段:如果瓶颈功能段由于实现技术等方面的原因难以分离成几个独立的子功能段,那么,可以采用重复设置瓶颈段,让多个瓶颈段并行工作来消除瓶颈段原执行时间的“瓶颈”。这两种方法只要完全消除了“瓶颈”,提高吞吐率的程度是相同的。,计算机系统结构
9、(第二版)华中科技大学出版社,流水线的加速比(P54)使用顺序处理方式处理一批对象所用的时间与流水线使用流水处理方式处理同一批对象所用的时间之比。(1)各段执行时间相等的加速比(P54)(2)各段执行时间不等的加速比(P54),计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,流水线的效率(P54)(1)各段执行时间相等的效率(P55)(2)各段执行时间不等的效率(P55),计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,【例3.2】【例3.3】【3.11】【3.13】【3.14】【3.16】【3.18】,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.4 非线性流水线的调度与性能计算,1.单功能非线性
10、流水线的最优调度方法最优调度方法获得最优调度策略的步骤(P58)根据处理对象对流水线各段的使用要求建立一个预约表。由预约表得出禁止表,禁止表是禁止后续对象流入流水线的时间间隔的集合。由禁止表得出初始冲突向量,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,由初始冲突向量得出状态有向图。后继状态的冲突向量用下式计算 由状态有向图得出最优调度策略。有向图的任何一条环路都是一个可循环执行的无冲突调度策略,从中选择一个平均时间间隔最小的调度策略就是最优调度策略。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.5 流水线的相关问题与相关处理,局部相关(P66):对程序执行过程的影响较小的相关,它仅涉及到相
11、关指令前后的一条或几条指令的执行。全局相关(P66):是指影响整个程序执行方向的相关,主要是转移类指令和中断引起的相关。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.5.1 局部相关及处理方法,1.顺序流动的“先写后读”相关及处理 顺序流动(P66):对象从流水线流出的次序同它们流入流水线的次序一样。先写后读相关(P67):如果指令h写入结果的目的地址同指令j读取操作数的源地址是同一个存储单元或寄存器,那么,称这两条指令有“先写后读”的要求。如果当指令j到达读段时,指令h还没有到达写段完成写入操作,那么,指令j读出的数据就是错误的,这就是“先写后读”相关。解决顺序流动的“先写后读”相关的方
12、法(P67):延迟、异步流动和建立相关通路。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.5.3 相关对流水线性能的影响,用时空图来表示流水处理过程和分析相关对流水线性能的影响。【例3.4】【例3.6】【例3.8】【3.21】【3.22】【3.23】【3.24】,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.6 多发射处理机及其性能,单发射(P74):处理机在一个时钟周期只从存储器取出一条指令(IF)、只对一条指令译码(ID)、只执行一条指令(EX)和只写回一个运算结果(WR),因此,平均一个时钟周期只解释一条指令。单发射处理机的指令级并行度ILP1。多发射(P74):处理机在一个时钟周
13、期可发射多条指令。多发射处理机的指令级并行度ILP2。属于多发射处理机范畴的处理机有:超标量处理机、超流水处理机、超标量超流水处理机和超长指令字处理机。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.6.5 多发射处理机的性能比较(表3.6),计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,第4章 存储系统 4.1 存储系统的层次结构与性能指标4.1.1 存储系统的层次结构,1.程序访问局部性时间局部性(P94):程序在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息。空间局部性(P94):程序在最近的未来要用到的信息很可能同现在正在使用的信息在存储空间位置上是相邻近的。,计算机系统结构(第二版
14、)华中科技大学出版社,4.1.2 存储系统的性能指标,1、虚拟地址空间(P96):虚拟存储技术为用户设计了一个虚拟地址空间,这个虚拟地址空间比主存的实际地址空间要大得多,并采用像主存一样的随机访问方式。2、存储器最大带宽(P97):存储器被连续访问时能提供的数据传输速率称为存储器的最大带宽。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3、命中率(P97):若逻辑地址流指定的信息能在M1中被访问到的次数为N1,在M1中未被访问到的次数为N2,则命中率为4、二级存储系统的等效访问周期(P97):,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,5、二级存储系统的访问效率(P97),计算机系统结构(第
15、二版)华中科技大学出版社,4.2 并行存储器,并行存储器(P98):在一个存储器访问周期能并行访问到多个存储字的存储器,能有效地提高存储器的带宽。并行存储器主要有2种,一种是单体多字并行存储器,另一种是低位交叉编址多体并行存储器。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,4.2.1 单体多字并行存储器,1、单体多字并行存储器(P98):把存储器的存储字字长增加n 倍,以存放n 个指令字或数据字,单体多字并行存储器的最大带宽比单体单字存储器的最大带宽提高n 倍。单体多字并行存储器访问冲突概率大。2、低位交叉编址方法(P99):若每个存储体的容量均为n个存储字,则存储单元地址的低log2m位称
16、为体号k,地址的高log2n 位称为体内地址i。低位交叉编址的存储单元地址A的计算公式为:A=mi+k,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,3.多体并行存储器的错位存储方法 对错位存储的nn二维数组可以实现以下4种并行访问方式的无存储体冲突访问(P99):并行访问数组任意一行的n个元素。并行访问数组任意一列的n个元素。并行访问数组对角线的n个元素或任意一条子对角线的所有元素。并行访问数组中任意一个 子数组的n个元素。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,4、无存储体冲突访问方法(P100):对nn的二维数组错位存储时,要求存储体的个数,且 m 取质数。二维数组的任意元素aij存
17、储的体号和体内地址分别是:其中,p是满足 的任意自然数;k是数组的第一个元素a00所在存储体的体号,一般取k=0。,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,计算机系统结构(第二版)华中科技大学出版社,4.3 虚拟存储器,在虚拟存储技术中,把程序经编译生成的访存地址称为虚拟地址(或称为虚地址),由虚地址表示的存储空间称为虚空间(P100)。程序代码运行时,必须先把虚地址转换成主存物理地址,或称为主存实地址,才能按实地址访问主存。虚地址与实地址之间对应关系的规则称为地址映像(P100)。程序在运行时,虚拟存储系统按照某种地址映像把虚地址转换成实地址称为地址变换(P100)。地址变换对应用程序员
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