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第1章 概述

Flynn’s 分类，市场分类

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系统结构的原始定义和现在的定义

原始定义:

程序员看见的系统属性，即结构及行为，区分数据流动和控制逻辑，及物理实现

现在定义:

是在满足功能、性能和价格目标的条件下，设计、选择和互连硬件部件构成计算机。

了解实现技术、功耗、成本的趋势，可靠性

• 摩尔定律
• 带宽增加速度与响应时间改进的平方成比例
• 带宽改进优于时延
• 多核有更高的功率利用率
• 模块可用性：
• $\frac{平均无故障时间}{平均故障间隔时间}$

性能评价指标:响应时间、CPU时间、吞吐量

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性能评价方法:

基准测试程序，SPEC测试程序集及指标( SPEC Ratio、 Spec mark )

SPEC:

提供基于现有应用程序的一套标准化源代码作为基准测试程序(SM为SPEC速率的几何平均值)

• $SM = \sqrt[n] {\prod_{i-1}^{n} SPECRatio_i}$
• $SPECRatio_i = \frac{参考计算机执行时间}{A机执行时间}$

TPC:

测试每秒处理的事务数

量化:Amdahl定律，CPU时间计算

CPU时间：执行一组指令用的时间

• $Instruction_Num * \overline{Instruction_Time}$

• $\overline{Instruction_Time}=CPI * Clock_Cycle_Time$

Amdahl定律

• $S_e(加速比) = \frac{改进后的性能/(未改进执行时间)}{未改进的性能/(改进后的执行时间)}$

• $改进后的执行时间 = \frac{改进部分执行时间}{加速比}+不可改进部分执行时间$

$F_e$：改进部分所占执行时间比例

• $T_n = T_0(1 - F_e + \frac{F_e}{S_e})$
• 改进后系统加速比为：
• $\frac{1}{1 - F_e + \frac{F_e}{S_e}}$

了解性价比:桌面机，服务器

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第2章 指令系统

指令集系统结构分类及特点

堆栈、累加器、通用寄存器

通用寄存器系统结构的分类及特点

• r-m

• r-r/load-store

存储器寻址:基本单位、小端与大端模式、对齐访问

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最常用寻址方式

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常用操作数类型

• 用操作码编码指定
• 用硬件解释字段表示数据类型

常用指令操作

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常用指令系统编码方式

• 变长编码：代码长度可以减少
• 定长编码：性能提高，利用流水线
• 混合方法：折中方式

MIPS系统结构的指令格式、寻址方式特点。

32位定长指令

第3章 流水线技术

流水线定义

利用执行指令操作间的并行性，实现多条指令重叠执行的技术

流水线的三种冒险及解决方法

控制冒险

• WB先写，ID后读
• 分离指令寄存器和数据寄存器
• 增加硬件资源或功能部件完全流水
• 停顿流水线

数据冒险

• WB先写，ID后读
• Forwarding
• Load数据冒险
• 停顿

控制冒险

• 停顿流水线
• 预测转移不发生
• 预测转移发生
• 转移延迟

流水线模型机指令系统、无相关流水线模型机多条指令执行过程，流水线模型机的控制信号的产生

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流水线模型机中结构相关处理，数据前推、load前推实现， 控制相关处理，指令执行的时序图

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精确异常与非精确异常

精确异常

• 异常发生之前的指令正常结束，之后的指令暂停，并在处理完异常之后能重新启动。
• 要求顺序处理异常
• 设置异常向量，异常发生，记录异常，禁止写操作。
• 一条指令将离开流水线，检测异常向量
• 若多个异常，响应最早流水段的异常

非精确异常

• 异常乱序

经典5段流水线扩展浮点流水线，涉及到的写冲突、相关及处理

除法部件不参与流水线

RAW

• ID级检测源寄存器是否和EX/A/DIV/M各级流水线的目的寄存器相同

WAW

• ID级检测目的寄存器是否和EX/A/DIV/M各级流水线的目的寄存器相同

WAR

异常处理

• 忽略这个异常
• 缓存结果，cpu执行完之前不改变任何状态(中间寄存器或历史文件未来文件)
• 确认无异常，才继续流水线

第4章 指令级并行及限制

静态调度的循环展开方法，名相关，寄存器换名(编译器实现)

动态调度，记分牌算法， Tomasulo算法

记分牌

• IS: 无WAW & 无结构冒险
• RO：源操作数就绪 & 无 RAW
• EXE
• WR：无WAR
• 等待此寄存器的R即为yes

Tomasulo

IS

进入条件：有空闲保留栈/缓冲

浮点操作：

• 若源操作数有效，写数据，否则写产生源操作数的部件
• 本保留栈busy
• 送结果寄存器的表

存取操作

• 若地址基址寄存器有效写$V_j$，否则将产生基址寄存器的部件写$Q_j$
• 本保留栈busy
• A存偏移
• 取：将取缓冲送至寄存器表
• 存：若存结果有效写$V_k$，否则写$Q_k$

---

EXE

进入条件：源操作数就绪 & 基址寄存器有效(LD|SD) & 到达缓冲队首(LD|SD)

浮点操作：

• 产生结果

存取操作

• 计算A
  • 取：读数

---

WR

进入条件：CDB空闲 & 结果有效 & 要存入的数据准备好

• 写寄存器/存储器
• 寄存器表相应位置清
• 找源操作是本保留栈的将数据填入

动态转移预测，BPB，BTB，前瞻执行的 基本概念

branch prediction buffer：减少判断跳转的停顿

branch target buffer：记录转移地址在buffer中，转移成功，直接取buffer中的目标地址

前瞻执行：ROB存放未确认结果

第5章 存储系统

Cache存储器的三种映像方式(全相联、直接映像，组相联)

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物理地址与Cache地址的映射计算

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Cache的映像规则，块标识，替换算法，写策略

写策略

• 写直达：缺失时不按写分配
• 写回：缺失时写分配

Cache性能优化的方法

减少缺失率$^4$

• 增加块大小

• 增大cache容量

• 更高相联度

• 编译优化

减少缺失代价$^5$

• 多级caches

• 关键字优先

• 读缺失优于写缺失

• 合并写缓冲

• 牺牲缓冲

并行减少缺失率与缺失代价$^3$

• 非阻塞caches

• 硬件预取

• 编译预取

减少命中时间 $^5$

• 小和简单的caches
• 避免地址转换
• 流水线cache访问
• 路预测
• 踪迹 caches

主存储器优化性能的技术

• 增加带宽
• 交叉访问存储器

虚拟存储器基本概念，页式虚拟存储器，映像规则，查找方法，替换算法，写策略，快表TLB的结构与作用 虚拟存储器与cache的综合

• 全相联

第6章 多线程和多处理器

ILP与TLP的基本概念

ILP：指令级并行

TLP：线程级并行

超标量、粗粒度、细粒度和SMT的基本概念。

超标量：单线程

粗粒度：仅在长空闲周期才切换线程

细粒度：可在每个周期切换线程

同时多线程：SMT，一个周期内发射不同线程的指令

多处理器的两种分类结构。

• 集中共享存储器架构
• 分布式存储器架构

同构多核与异构多核的基本概念。

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