计算机系统结构2011年串讲及汇总(第二部分)[参照]

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1、1 第四章存储体系 1. 对存储器的基本要求是：大容量、高速度和低价格。 2. 存储器容量为：SM = Wlm (其中 W 为存储体的字长，l 为存储体的字数， m 为并行工作的存储体数) 3. 单体最大频宽：Bm = W / TM m 体在座体并行的最大频宽：Bm = Wm / TM (TM 为连续启动一个在存储体所需时间间 隔) 4. 并行主存系统：能并行读出多个 CPU 字的单体多字、多体单字、多体多字的交叉访问主存系统系统为并行主存系统。 5. 为什么主存实际频宽不是随着模 m 的提高而线情增大： (1)工程实现上由于模 m 越高，存储器数据总线越长，总线并联的负载越重，有时不得不增加

2、门的级数，这些会使传输延迟增 加 (2)实际程序中指令不总是顺序执行的，一旦出现转移，效率就会下降，而数据的性比指令的还差，实际的效率还更低。 6. CPU 与主存速度差给系统性能带来影响，解决办法有： (1)在 CPU 中设置通用寄存器 (2)采用存储器的多体交叉并行存取 (3)采用 Cache 存储器。 7. 存储体系设计的主要依据是：程序访存的局部性， 其主要包括： (1) 时间上：最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息，这是因为程序存在循环。 (2) 空间上：最近的未来要用到信息很可能与现在正在使用的信息在程序空间上是邻近的，这是因为指令常是顺序存放、顺序 执行，数据通常是以

3、微量、阵列、树形、表格等形式簇聚地存放的。 8. 命中率指 CPU 产生的逻辑地址能在 M1 中访问到(命中到)的概率。若逻辑地址流的信息能在 M1 中访问到的次数为 R1，当时 在 M2 中还未调到 M1 的次数为 R2，则命中率 HR1 /（R1+R2） 。 ） （影响因素：地址流、预判算法、M1 的容量等） 9. 未命中率(失效率)是指由 CPU 产生的逻辑地址在 M1 中访问不到的概率。对二级存储层次，失效率为 1-H 10.段式管理：将主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。 将虚地址（程序号，段号，段内位移）通过段表找到段的基地址，然后再形成物理地址，访问存储器。 段表结构 =（段

4、名，段地址，装入位，段长，访问方式） 11.段式管理的主要优点： （1）程序模块化的性能好，各段在功能上是相互独立的； （2）便于程序与数据的共享； （3）便于实现存储保护。 12.段式管理的主要缺点： （1）地址变换所需的时间比较长 （2）主存的空间利用不充分。 13.页式管理：把主存空间和程序空间都机械等分成固定大小的页(页面大小随机器而异) 14.页式存储的优点： （1）主存储器的空间利用率比较高。 （2）页表比较简单，大大简化了映像表的硬件，节省了页表的存储量 （3）地址映象与地址转换速度比较快。 15.页式存储的缺点： （1）页表很长，占用很大的存储空间。 （2）程序的模块化性能不好

5、。 16.段页式管理：把实存机械的等分成固定大小的页，把程序按模块分段，每个段分成与主存页面大小相同的页，每道程序通 过 一个段表和相应于每段的一组页表来进行定位。 17.装入位:标识该段的页表是否已装入主存。 地址字段:指明已装入页表在主存中的起始地址。 访问方式:指明该段的控制保护信息。 页表长:指明该段页表的行数。 18.地址的映象：将每个虚存单元按什么规则（算法）装入（定位于）实存，建立起多用户虚地址与实地址之间的对应关系。 19.页面替换算法： （1）随机算法(RAND) （2）先进先出法(FIFO)（3）近期最少使用法/近期最久未用算法 (LRU 法)（4）最优替换算法(OPT)

6、20. 2 第五章 重叠、流水和向量处理机 21.指令的解释方式一般分为顺序、重叠、流水三种。 22.解释一条机器指令的微操作可归并为：（1）取指令、 （2）分析、 （3）执行 三个部分。 （1） 取指令：是按指令计数器的内容访主存，取出该指令送到指令寄存器。 （2） 指令分析：是对指令的操作码进行译码，按寻址方式和地址字段形成操作数真地址，并用此真地址去取操作数。为取下条 数据，还要形成下条指令的地址。 （3） 指令的执行：是对操作数进行运算、处理，或存储运算结果。(可能要访主存) 23.顺序解释：指的是各条指令之间顺序串行进行。 （即执行完一条指令后才取下一条指令） 优点：控制简单，节省设

7、备； 缺点：速度慢，机器各部件的利用率很低； 24.重叠解释：是在解释第 K 条指令的操作完成之前，就可以开始解释第 K+1 条指令。 25.重叠解释方式存在着访存冲突，解决访主存的冲突的几种方式： （1）主存分成两个独立编址的存储器，一个专门存放指令一个专门存放操作数；（加重了主存总线控制的复杂性及软件设计麻 烦） （2）指令和数据仍然混存在一个存储器中，采用多体交叉主存结构；（不能根本解决） （3）增设采用先进先出方式工作的指令缓冲寄存器（指缓） 。 26.一次重叠：把取指令操作隐含在分析、执行指令过程中，则在任何时候只允许上条指令“执行”与下条指令“分析”相重 叠。 27.相关：因程序相

8、邻指令之间出现了关联，为防止出错它们不能同时解释。这种现象称发生了“相关” 。 （1）数相关：第 K+1 条指令的源操作数地址正好是第 K 条指令结果地址。分为(1)主存空间的数相关(2)通用寄存器组的数相关 顺序解释没问题，而重叠解释时，在“执行 K”和“分析 K+1”重叠时就出现问题。 （2）指令相关：经过第 K 条指令的执行来形成第 K+1 条指令。 （重叠解释时先从指缓中取到第 K+1 条指令是旧内容 出错） 指令相关是因为机器指令允许修改引起的。 28.指令相关的处理：可通过限定程序运行过程中不准修改指令不可行。IBM370 采用“执行”指令。被修改的指令以“执行” 指令的操作数形式

9、出现，将指令相关转成数相关。 （这样只要统一进行数相关处理就可以了） 29.主存空间数相关的处理：相邻两条指令之间出现对同一主存单元要求先写后读的关联。(设置优先级：写优先级 读优先级) 30. 通用寄存器组相关（a.通用寄存器组数相关 b.通用寄存器组基址和变址值相关）的处理： (1)推后分析 K+1 (降低速度为代价) (2)设置相关专用通路（增加设备为代价） 31. 流水是重叠的进一步延伸： 一次重叠：把指令的解释分成两个子过程，同时解释两条指令。流水：把指令的解释分成多个子过程，同时解释多条指令。 32. 流水的最大吞吐率：流水线满负荷，每隔 t 流出一个结果时所达到的吞吐率。 33.

10、 流水的分类： 流水按扩展方向分类： （1）流水向下扩展：把子过程进一步细分。(过程并行) （2）流水向上扩展：在多个处理机之间流水。(任务并行) 流水按处理级别分为 （1）部件级的流水：构成部件内的各个子部件之间的流水。 （如运算器内的“浮点加”流水） （2）处理机级流水：构成处理机的各个部件之间的流水。 （如取指、分析、执行的流水） （3）系统级流水：构成计算机系统的多个处理机之间的流水，也称为宏流水。 按流水线的功能多少分为： （1）单功能流水线：只能实现一种功能的流水。 （如“浮点加”流水） （2）多功能流水线：同一流水线的各个段之间可以有多种不同的连接方式实现多种不同的运算或功能的流

11、水。 (a)静态流水线：在某一时间内各段只能按一种功能联接流水，只有等流水线全部流空后，才能切换成按另一种功能来联接 流水。实现简单。 (b)动态流水线：各功能段在某一时间内可按不同运算或功能联接。控制复杂。 从流水线中各功能段之间是否有反馈回路分为： 3 （1）线性流水线：各个段之间串行连接，无反馈也无跳跃，每个任务流经流水线中各个段均只有一次。 （2）非线性流水线：各个段之间除了有串行连接，还有反馈回路，使一个任务流经流水线时，需多次经过某段或越过某段。 按机器所具有的数据表示分为：（1）标量流水机 （2）向量流水机 34. 流水处理机的主要性能：（1）吞吐率（2）效率 35. 吞吐率：指

12、在单位时间内流水线完成的任务数或输出的结果数。TP = n /Tk (n 表示任务数，Tk 表示完成 n 个任务所需时间) 36. 最大吞吐率：TPmax = 1/maxt1, t2, t3 tn 37. 瓶颈子过程：流水线中经过时间最长的子过程。 38. 消除瓶颈的方法：（1）将瓶颈子过程再细分（2）重复设置多套瓶颈段并联 39. 加速比 Sp：流水方式相对于非流水顺序方式速度提高的比值。 40. 效率：流水线设备的实际使用时间占整个运行时间之比，也称流水线设备的时间利用率。 41. 影响流水线效率不高的因素包括： （1）静态多功能流水线流水时，总有一些本功能用不到的段处于空闲状态。 （2）

13、流水建立过程中，本功能要用到的某些段也有部分处于空闲状态。 （3）功能切换时，增加了前一种功能流水的排空时间及后一种功能流水的建立时间。 （4）上一步运算的结果要送到流水线的输入端，下一任务才能开始。 42. 全局性相关：机器系统出现相关时，影响面较宽，较严重，称为全局性相关。 （如转移指令废指缓） 43. 局部性相关：机器系统出现相关时，只影响相关的几条指令，最多影响流水线某些段工作的后推，不会改动指缓中预取到的 指令，影响是局部的。 （如指令相关，主存操作数相关等） 44. 局部性相关的处理： 流水技术是重叠技术的发展，因此，重叠机器处理相关的方法也适用于流水机器，即 推后读 设置相关直接

14、通路。 按流水线中流动顺序的安排，分为两种形式： （1）同步流动：任务(指令)流出流水线的顺序与流入流水线的顺序一致(顺序流动)。 （2）异步流动：任务(指令)流出流水线的顺序与流入流水线的顺序不一致。 45. 异步流动要处理的三种相关(都是对同一单元的要求)： （1） “先写后读”相关：在先的指令先写入，在后的指令才能读的关联，称“先写后读”相关。 （2） “写写”相关：在先的指令先写入，在后的指令才能写的相关。 （3） “先读后写”相关：在先的指令先读，在后的指令才能写的相关，称“先读后写”相关。s 46. 全局相关的处理： （1） 猜测法：概率相近时宜选用 i+1 不成功转移分枝；概率不

15、均等时，宜选用高概率分支 （2） 加快和提前形成条件码 （3） 采取延迟转移 （4） 加快短循环程序的处理 47. 流水机器原中断处理：主要是为了处理好中断点现场的保存和恢复。 48. 向量的流水处理：将向量数据表示和流水线技术结合起来，构成向量流水处理机，使向量运算最能充分发挥出流水线效率。 49. 向量的三种处理方法： （1）横向(水平)处理方法：以元素为单位，逐个求向量元素值。 例如求：D=A*(B+C)，则进行 bi+cik，k*aidi 操作。 横向处理适合标量处理机，发挥不出流水的优势。 （2）纵向（垂直）处理方式：以向量为单位，对整个向量求结果向量。例如求：D=A*(B+C)，则

16、进行 B+CK，K*AD 操 作。 （3）分组纵横处理方式：若向量的长度过长，则可分成若干组，使每组都能装入向量寄存器组，组内按纵向方式处理，组间靠 软 件循环处理。 50. 指令级高度并行的超级处理机：（1）超标量处理机（2）超长指令字处理机（3）超流水线处理机 51. 超标量处理机：多条指令流水线，每个 t 同时流出 m 条指令(称为度 m)，靠编译程序优化指令执行顺序。 组成：冗余设置，多套部件（多套单流水线部件） ，多部件并发工作。 52. 超长指令字处理机：将水平型微码和超标量处理两者相结合。多个功能部件并发工作，共享大容量寄存器堆；工作原理如下： 4 1.编译时找出潜在并行性，进行单指令，多操作，多操作码，多数据压缩，形成超长指令。 2.执行时不检测并行性与相关性，直接执行。 53. 超流水线处理机：工作原理：每个 t 只流出一条指令，但 t 很小，同超标量相比（度为 m） ，是其节拍（单位时间）的 1/m。超流水线是单流水线，t非常小，相当于原流水线的 t= t/m。 5 第六章