计算机体系结构重点

1、并行线索：时间，空间的并行

并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作

2、资源重复，时间重叠，资源共享

资源重复：通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。（多处理机系统）

时间重叠：多个处理过程在时间上相互错开，轮流、重叠地使用同一套硬件设备的各个部分。（流水线）

资源共享：软件方法，使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。（多道程序、分时系统）

3、数据并行：字、位

（1）流水线的指令并行

（2）超流水线：细分时间

（3）超标量流水线：重复设置流水线

（4）向量机：流水线，数据并行

（5）提高cache命中率

（6）多机系统，线程级并行（CMP）

4、局部性

（1）存储系统原理

（2）提高cache命中率（victim cache，伪相联cache）

（3）cache有好程序（空间、时间局部性）

有些去年的题都没有被老师的提纲点出来，崩溃了。。。。

蓝色的没查到，晕了。。。。

红色的太庞大，懒了。。。。

-----------卖萌了by备

（分章解读）

一、概论

1、计算机体系结构与组成原理，实现的关系，基本概念（兼容、模拟、仿真）

层次：微程序语言、机器语言、（操作系统虚拟机）、<-解释的方法实现

--------------用翻译的方法实现->汇编语言、高级语言、应用语言

硬件逻辑优点：速度快

虚拟机：由软件实现的机器，以区别于由硬件/固件实现的物理机器

计算机系统结构：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器中的数据通道和控制信号的组成以及逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

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              计算机体系结构的详尽描述

一.计算机系统结构的基本概念

1.计算机体系结构的概念

     1964年G.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出：计算机系统结构是从程序员所看到的计算机属性，即程序员编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解的概念性结构和功能特性。

     系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下功能的分配。

     系统结构设计主要研究界面的属性的透明性的取舍。

     计算机系统结构（体系结构）指的是传统机器级的系统结构。

     计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定。

2.计算机系统的多级层次结构

二.计算机指令集结构设计

根据五个因素对计算机指令集结构进行分类：    在CPU中操作数的存储方法；指令中显式表示的操作数个数；操作数的寻址方式；指令集所提供的操作类型；操作数的类型和大小 。其中1是最主要的区别

根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为

堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。优缺点？堆栈型（其CPU中存储操作数的主要单元是堆栈）：是一种表示计算的简单模型；指令短小。不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码；同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现。累加器型（其CPU中存储操作数的主要单元是累加器）：减少了机器的内部状态；指令短小。由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大。寄存器型（CPU中存储操作数的主要单元是通用寄存器）：易于生成高效的目标代码。所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长

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1.摩尔定律内容及其对现代计算机的影响？

   答：摩尔定律是由英特尔名誉董事长戈登摩尔经过长期观察指出的。主要内容是集成电路芯片上所集成的晶体管数将每隔18个月翻一番，微处理器的性能将提高一倍，价格下降一半。影响：（1）归纳了信息技术进步的速度，比如半导体芯片的发展；（2）带动了芯片产业自热化得竞争，是公司发展的驱动力；（3）指导着高科技产业中设计者们的工作，让生产找到了提高产品性能的途径。摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时就会努力去实现它。

2.Pipling指令集流水线段各是什么？

   答：一条指令流水线由五段组成：（1）取指令（IF）：发送程序计数器PC到内存，取出当前指令，更新PC；（2）指令译码（ID）：判断指令类型，从寄存器取操作数（3）计算有效地址或者执行（EX）：计算内存操作数的有效地址，分支跳转的有效地址，执行（4）访存取数（MEM）：用有效地址去访存取数或存数，用分支跳转有效地址更新PC（5）写回（结果写回寄存器WB）

3.什么原因导致流水线停止，怎样解决？

答：要使流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流，但由于流水过程中发生以下三种相关冲突而停止：结构相关，数据相关，控制相关。

结构相关：当数据和指令放在同一个存储器且只有一个访问口时，便发生两条指令争用存储器资源的相关冲突，解决办法：一是指令停顿一排再启动，插入一个气泡，二是增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。

数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的，解决办法：一是插入气泡，二是流水CPU的运算器中特意设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用；三是推迟后继指令的执行，直到前面的指令的结果产生为止，这样大大影响流水线的吞吐率。

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一，计算机系统结构导论

1.层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。这些层次依次为：微程序机器级，传统机器级，操作系统机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

2.翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。   解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。        解释比翻译花的时间多，存储空间占用少。

3.虚拟机：用软件实现的机器。以区别于由硬件或固件实现的实际机器。

4.计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

5.透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。  三种分类：Fllynn ，冯氏，Handler。

6.计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现：计算机组成的物理实现，一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。

7.冯诺依曼特点：1.机器以运算器为中心2.采用存储程序原理3.存储器是按地址访问的，线性编址的空间4.控制流由指令流产生5.指令由操作码和地址码组成6.数据以二进制编码表示，采用二进制运算。

8.计算机应用的发展可以归纳为：数据处理，信息处理，知识处理，智能处理。

9.系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。   兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

10.软件兼容：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。差别只是执行时间的不同。        向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。 向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。   软件具有兼容性和可移植性   硬件软件逻辑上等效

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1

2

SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。

2·单指令流多数据流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）

SIMD以并行处理机为代表，结构如图，并行处理机包括多个重复的处理单元PU1～PUn，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同的数据。 3·多指令流单数据流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）

MISD的结构，它具有n个处理单元，按n条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理。一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。

4·多指令流多数据流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD） MIMD的结构，它是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统，多处理机就属于MIMD。（2）

冯式分类法

19xx年冯泽云提出用最大并行度来对计算机体系结构进行分类。所谓最大并行度Pm是指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。设每一个时钟周期△ti内能处理的二进制位数为Pi，则T个时钟周期内平均并行度为Pa=(∑Pi)/T(其中i为1，2，?，T)。平均并行度取决于系统的运行程度，与应用程序无关，所以，系统在周期T内的平均利用率为μ=Pa/Pm=(∑Pi)/(T*Pm)。用最大并行度对计算机体系结构进行的分类。用平面直角坐标系中的一点表示一个计算机系统，横坐标表示字宽(N位)，即在一个字中同时处理的二进制位数；纵坐标表示位片宽度(M位)，即在一个位片中能同时处理的字数，则最大并行度Pm=N*M。 由此得出四种不同的计算机结构：

①字串行、位串行(简称WSBS)。其中N=1，M=1。

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第1章 计算机系统概论

1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？

解：P3

计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

2. 如何理解计算机的层次结构？

答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。

（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。

（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。

（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。

通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。

3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。

答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。

4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？

答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O机理等。计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。

5. 冯?诺依曼计算机的特点是什么？

解：冯?诺依曼计算机的特点是：P8

l  计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；

l  指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；

l  指令和数据均用二进制表示；

l  指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；

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计算机基础知识点总结

第一章  计算机及信息技术概述（了解）

1、计算机发展历史上的重要人物和思想

1、法国物理学家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成，靠发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。

2、德国数学家莱布尼茨：在1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机，也是由一系列齿轮组成，但它能够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。

3、英国数学家巴贝奇：1822年，在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器，可以保存3个5位数字，计算精度可以达到6位小数。巴贝奇是现代计算机设计思想的奠基人。

英国科学家阿兰 图灵(理论计算机的奠基人)

图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器，隐含了现代计算机中“存储程序”的基本思想。半个世纪以来，数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。

美籍匈牙利数学家冯 诺依曼(计算机鼻祖)

计算机应由运算器、控制器、存储器、
输入设备和输出设备五大部件组成；

应采用二进制简化机器的电路设计；

采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。

七十多年来，现代计算机基本结构仍然是“冯·诺依曼计算机”。

2、电子计算机的发展历程

1、 1946年2月由宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC是世界上第一台电子数字计算机。“诞生了一个电子的大脑”致命缺陷：没有存储程序。

2、电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代：电子管、晶体管、集成电路、大规模及超大规模集成电路

3、计算机的类型

按计算机用途分类：通用计算机和专用计算机

按计算机规模分类：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器、嵌入式计算机

按计算机处理的数据分类：数字计算机、模拟计算机、数字模拟混合计算机

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