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计算机系统结构

计算机设计基本原理


计算机分类

Flynn分类:

  • SISD 传统的顺序处理计算机
  • MISD 几乎不存在
  • SIMD 以阵列处理机为代表
  • MIMD 最常用,多处理机与多计算机系统

市场分类:

  • 桌面计算机
  • 服务器
  • 嵌入式

计算机设计的量化原则


  1. Amdahl定律
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2.CPU性能公式

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指令原理与实例

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为什么内存访问要对齐


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寻址方式

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RISC

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MIPS指令格式

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流水线技术

冒险分类:

  • 结构冒险 指令重叠执行时发生的硬件资源冲突
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  • 数据冒险 指令所依赖的前面的指令的结果没有准备好
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  • 控制冒险 进入下一个时钟周期取指令时,转移条件和PC是不可用的

可以通过delay slot来缓解,但值得注意的是,这只是教科书中的做法

单周期处理机的指令执行

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多周期处理机的指令执行

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流水线处理机中的各种信号

信号名 作用
BTAKEN 转移发生信号,为1时取经过符号扩展的偏移量与当前PC值相加
SST (SelectStore) 是store指令时为1
ALUOP 所执行的ALU操作
SIMM 是否选择立即数,为1选择立即数
WZ 是否写入Z标记
SLD (SelectLoad) 是否选择D输出(load 的结果)
WREG 是否写回寄存器
WMEM 是否写存储器

产生条件:

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内部前推

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指令级并行

相关性分析

  • 数据相关
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  • 名相关
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  • 控制相关
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记分牌动态调度算法

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分为4段

1.流出,记为IS


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2.读操作数,记为RO


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3.执行,记为EX
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4.写结果


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存储系统

存储系统的性能参数

  • 每位价格
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  • 命中率
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  • 平均访问时间
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映射方式

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替换算法

  • 随机法
  • FIFO
  • LRU

写策略

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写失效策略

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CPU时间

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两级Cache

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虚拟存储器

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段式虚拟存储器

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页式虚拟存储器

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块表

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改进Cache性能的方法

  • 降低失效率 -> 增加Cache大小 提高相连度 使用Victim Cache 硬件预取技术 由编译器控制预取 编译器优化
  • 减少失效开销 -> 让读失效优先于写 子块放置技术 请求字处理技术 非阻塞Cache
  • 减少Cache命中时间 使用容量小结构简单的Cache 虚拟Cache 写操作流水化

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