計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)

1、北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,復(fù)習(xí),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,復(fù)習(xí),考試題型術(shù)語解釋選擇題填空題問答題計(jì)算題,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝軟件＋硬件/固件 可以從多個(gè)角度考察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 一種觀點(diǎn)：從使用語言的角度，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu),第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,虛擬機(jī)概念 從不同角度所看到

2、的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的，大部分人對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)只需要在某一個(gè)層次上。 虛擬計(jì)算機(jī)即是由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。從學(xué)科領(lǐng)域來劃分第0和第1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第2至第4級(jí)是系統(tǒng)軟件第5級(jí)是應(yīng)用軟件,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,翻譯(Translation)：先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患?jí)機(jī)器級(jí)上的程序整個(gè)地變換成低一級(jí)機(jī)器級(jí)上可運(yùn)行的等效程序，然后再在低一級(jí)機(jī)器級(jí)上去實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。（先翻譯后執(zhí)行）解釋（Interpret

3、ation）：在低一級(jí)機(jī)器級(jí)上用它的一串語句或指令來等效高一級(jí)機(jī)器上的一條語句或指令的功能，通過對(duì)高一級(jí)機(jī)器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實(shí)現(xiàn)的技術(shù) 。（邊解釋邊執(zhí)行）,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,翻譯和解釋是語言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)。一般來說，解釋執(zhí)行比翻譯花的時(shí)間多，但占用存儲(chǔ)空間較少。 軟件和硬件實(shí)現(xiàn)在邏輯功能上等效。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)就是要確定軟硬件的分界；軟件、硬件和固件的功能分配。,

4、第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn),我們這里所稱的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(Computer Architecture) 指的是層次結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其界面之上的功能包括操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語言級(jí)、高級(jí)語言級(jí)和應(yīng)用語言級(jí)中所有軟件的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1. 定義一 Amdahl于1964年在推出I

5、BM360系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出：程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。2.定義二 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各級(jí)界面的劃分、定義及其上下的功能分配。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,透明性概念 本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在。計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)

6、現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。它主要著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)三者關(guān)系： 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要考慮組成和實(shí)現(xiàn)的發(fā)展， 不要有過多或不合理的限制； 2、組成要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)， 決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，受限于實(shí)現(xiàn)； 3、組成與實(shí)現(xiàn)不是被動(dòng)的， 折中權(quán)衡； 4、實(shí)現(xiàn)是物質(zhì)基礎(chǔ)。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.3

7、 軟硬取舍與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,軟硬取舍的基本原則,第一個(gè)基本原則是，在現(xiàn)有硬件和器件條件下，系統(tǒng)要有高的性能價(jià)格比。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,第二個(gè)基本原則是，要考慮到準(zhǔn)備采用和可能采用的組成技術(shù)，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的采用。第三個(gè)基本原則是，不能僅從“硬”的角度去考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和發(fā)揮器件技術(shù)的進(jìn)展，還應(yīng)從“軟”的角度把為編譯和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，以至高級(jí)語言程序的設(shè)計(jì)提供更多

8、更好的硬件支持放在首位。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法方法1：由上向下（Top-Down）方法2：由下向上（Bottom-Up)方法3：中間開始（Middle-Out),第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.4 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的量化準(zhǔn)則Amdahl定律 系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。 在Amdahl定律中，

9、加速比與兩個(gè)因素有關(guān)：,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,改進(jìn)后整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為：其中Ｔ0為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的加速比為：其中（1-Fe)表示不可改進(jìn)部分。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,CPU性能公式程序執(zhí)行的CPU時(shí)間為 ：,,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1. 時(shí)鐘頻率（主頻）：用于同類處理機(jī)之間。2. 指令執(zhí)行速度 一種很經(jīng)典的表示方法 MIPS (Mil

10、lion Instructions Per Second), KIPS, GIPS, TIPS,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3. 等效指令速度：吉普森（Gibson）法,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.5 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響因素軟件可移植性的定義 軟件不用修改或只需少量加工就能由一臺(tái)機(jī)器搬到另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，即同一軟件可以應(yīng)用于不同的環(huán)境。 實(shí)現(xiàn)軟件可移植性的幾種技術(shù) 技術(shù)一：統(tǒng)一高級(jí)語言

11、 技術(shù)二：采用系列機(jī)思想 技術(shù)三：模擬與仿真,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.采用統(tǒng)一的高級(jí)語言方法方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級(jí)語言編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2.采用系列機(jī)方法 系列機(jī)定義：同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方法： 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同性能的要求和當(dāng)時(shí)的器件發(fā)展情況，設(shè)計(jì)出各

12、種性能、價(jià)格不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,軟件兼容性設(shè)計(jì)方法 原因：軟件相對(duì)于硬件的成本越來越貴，已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。兼容種類 向后兼容　在某一時(shí)間生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。 向前兼容 向上兼容　在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于高檔機(jī)器上。 向下兼容,第1章,北京理工大

13、學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,其中向后兼容最重要，必須做到，向上兼容盡量做到，向前兼容和向下兼容，可以不考慮。兼容機(jī)定義： 不同廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3.采用模擬與仿真方法定義： 在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。 全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫模擬。 用硬件、固件或軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫仿真。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,第1章,模擬的實(shí)現(xiàn)方法：

14、 在A計(jì)算機(jī)上通過解釋方法實(shí)現(xiàn)B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，即B機(jī)器的每一條指令用一段A機(jī)器的程序進(jìn)行解釋執(zhí)行。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。仿真的實(shí)現(xiàn)方法： 直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行B機(jī)器的每條指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。 仿真——微程序——控存中 模擬—— 機(jī)器語言——主存中,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,軟件移植方法區(qū)別： A 統(tǒng)一高級(jí)語言 解決結(jié)構(gòu)相同或完全不同的各種機(jī)器上的軟件移植，

15、是重要方向。 問題：語言標(biāo)準(zhǔn)化很重要，短期很難，只能相對(duì)統(tǒng)一。B 系列機(jī) 普遍采用，只解決同一系列結(jié)構(gòu)內(nèi)的軟件兼容。 問題：兼容的約束阻礙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)取得突破進(jìn)展。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,C 模擬靈活性較大，可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移植。問題：結(jié)構(gòu)差別大時(shí)，效率和速度急劇下降。D 仿真 速度損失小，可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移植。 問題：靈活性較小，只能在結(jié)構(gòu)差別不大的機(jī)器間采用。需結(jié)合模擬。,第1章,

16、北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1.6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類,并行性概念,并行性包含同時(shí)性和并發(fā)性二重含義。 同時(shí)性——兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。 并發(fā)性——兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,并行性開發(fā)的途徑 時(shí)間重疊資源重復(fù)資源共享,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,并行處理計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu),并行處理計(jì)算機(jī)是強(qiáng)調(diào)并行處理的系統(tǒng)，除了分布處理系統(tǒng)外，按其基本結(jié)構(gòu)特征

17、，可以分成流水線計(jì)算機(jī)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)等 4 種不同的結(jié)構(gòu)。,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,如果多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)互連，共享某些如磁帶、磁盤等外設(shè)，則稱為松散耦合系統(tǒng)。 如果多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間通過總線或高速開關(guān)互連，共享主存，則稱為緊密耦合系統(tǒng)。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,佛林（Flynn）分類法 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。 指令流：機(jī)器執(zhí)行的指

18、令序列。 數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。,第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,四種類型單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (Single Instruction Single Datastream); 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD (Single Instruction Multiple Datastream); 多指令流單

19、數(shù)據(jù)流MISD (Multiple Instruction Single Datastream); 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD (Multiple Instruction Multiple Datastream),第1章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2.1 數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)表示的定義：數(shù)據(jù)表示是指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。

20、,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,自定義數(shù)據(jù)表示 1、帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法,第2章,2、數(shù)據(jù)描述符表示法數(shù)據(jù)描述符與標(biāo)志符的區(qū)別： 標(biāo)志符與數(shù)據(jù)合存于一個(gè)存儲(chǔ)單元中，用于描述單個(gè)數(shù)據(jù)的類型和屬性（作用于一個(gè)數(shù)據(jù)）；而描述符則和數(shù)據(jù)分開存放，主要用于描述成塊數(shù)據(jù)的特征（作用于一組數(shù)據(jù)）。,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,最高三位為101時(shí)表示數(shù)據(jù)描述符，最高三位為000時(shí)表示數(shù)據(jù)。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2.2 尋址方

21、式尋址方式：尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法。主要內(nèi)容：尋址方式的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。方法：分析各種尋址技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇和確定尋址技術(shù)。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,定位方式 程序需要定位的主要原因：程序的獨(dú)立性；程序的模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序運(yùn)行過程中，其大小往往是變化的；有些程序本身很大，大于分配給它的主存物理空間。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,直接定位方式：在程序裝入主存儲(chǔ)器之前，程序中的指令和

22、數(shù)據(jù)的主存物理地址就已經(jīng)確定了的稱為直接定位方式。靜態(tài)定位：在程序裝入主存儲(chǔ)器的過程中隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為靜態(tài)定位方式。動(dòng)態(tài)定位：在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)訪問到相應(yīng)的指令或數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為動(dòng)態(tài)定位方式。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化 主要目標(biāo)：節(jié)省程序的存儲(chǔ)空間指令格式盡量規(guī)整，便于譯碼研究內(nèi)容：操作碼的優(yōu)化表示；地址碼的優(yōu)

23、化表示,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,操作碼的優(yōu)化表示 操作碼的三種編碼方法： 固定長度，Huffman編碼、擴(kuò)展編碼,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Huffman編碼法 操作碼的最短平均長度（理想情況），又稱信息源熵，可通過下式計(jì)算： 其中：Pi表示第i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率。信息冗余量：,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Huffman編碼的具體碼值不惟一，但平均碼長肯定是惟一的。 Hu

24、ffman操作碼的主要缺點(diǎn)： 操作碼長度很不規(guī)整，硬件譯碼困難。 與地址碼共同組成固定長的指令比較困難。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,擴(kuò)展編碼法 由固定長操作碼與Huffman編碼法相結(jié)合形成的一種編碼方式，操作碼長度被限定使用有限的幾種碼長，仍體現(xiàn)高概率指令用短碼，低概率指令用長碼的思想，使操作碼的平均碼長雖大于Huffman編碼，但小于等長編碼，是一種實(shí)際可用的優(yōu)化編碼方法。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2.

25、4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 進(jìn)一步增強(qiáng)原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程序完成的功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化。復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡稱CISC。 通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高指令的執(zhí)行速度。精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡稱RISC。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 有兩個(gè)截然相反的方向：復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC(Complex Instr

26、uction Set Computer) 增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令 面向目標(biāo)代碼、高級(jí)語言和操作系統(tǒng) 用一條指令代替一串指令2. 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC(Reduced Instruction Set Computer) 只保留功能簡單的指令 功能較復(fù)雜的指令用子程序來實(shí)現(xiàn),第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,CISC指令系統(tǒng)存在的問題： (1)指令系統(tǒng)龐大。 (2

27、)指令執(zhí)行速度低。 (3)編譯程序本身太長、太復(fù)雜。 (4)各種指令使用頻度都不會(huì)太高，且差別很大。 20％與80％律,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,RISC的定義與特點(diǎn)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon）論述RISC的特點(diǎn)：1、大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成2、LOAD/STORE結(jié)構(gòu)3、硬布線控制邏輯4、減少指令和尋址方式的種類5、固定的指令格式6、注重編譯優(yōu)化技術(shù),第2章,北京理

28、工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,90年代初，IEEE的Michael Slater對(duì)RISC定義的描述：1、RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有：簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼大部分指令可以單周期執(zhí)行完成僅Load和Store指令可以訪問存儲(chǔ)器簡單的尋址方式采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)采用LOAD延遲技術(shù)2、RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有：三地址指令格式、較多的寄存器、對(duì)稱的指令格式。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,RIS

29、C的關(guān)鍵技術(shù)1、延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)定義：為了使指令流水線不斷流，在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條不相關(guān)的有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令被延遲執(zhí)行，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。 采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2、指令取消技術(shù) 采用指令延時(shí)技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令，故有些RISC采用指令取消技術(shù)，分為三種情況：(1) 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序）(2) 向前轉(zhuǎn)移(if-th

30、en)(3) 隱含轉(zhuǎn)移技術(shù),第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3、重疊寄存器窗口技術(shù)（Overlapping Register Window）原因：RISC中，子程序比CISC中多, 因傳送參數(shù)而訪問存儲(chǔ)器的信息量很大。 重疊寄存器窗口技術(shù)由美國加洲大學(xué)伯克利分校的F .Baskett提出。實(shí)現(xiàn)方法： 設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多個(gè)窗口。在每個(gè)過程使用的幾個(gè)窗口中有一個(gè)窗口是與前一個(gè)過程共用，還有個(gè)

31、窗口是與下一個(gè)過程共用。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,4、指令流調(diào)整技術(shù) 目標(biāo)：通過變量重新命名消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線執(zhí)行效率。5、以硬件為主固件為輔 固件的主要缺點(diǎn)是：執(zhí)行速度低。 主要優(yōu)點(diǎn)是：便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng)。 以硬聯(lián)邏輯為主來實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)。 對(duì)于復(fù)雜指令，也使用微程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)。,第2章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3.1 輸入輸出系統(tǒng)概述 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn) 輸

32、入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)控制等多種學(xué)科。 用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)就能使用輸入輸出設(shè)備。 處理機(jī)的外部世界包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺(tái)、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲(chǔ)器、其它處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1、異步性2、實(shí)時(shí)性3、與設(shè)備無關(guān)性,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個(gè)階段，

33、對(duì)應(yīng)于 3 種方式，即程序控制輸入輸出(包括全軟的、程序查詢狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的、中斷驅(qū)動(dòng)的幾種)、直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)和I/O處理機(jī)方式。這 3 種方式可以分別用在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，也可以用在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上作為相互補(bǔ)充。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3.2 磁盤陣列 RAID是Redundent Array of Inexpensive Disks的縮寫，直譯為“廉價(jià)冗余磁盤陣列”，也簡稱為“磁盤陣列”。后來RAID中

34、的字母I被改作為Independent，RAID就成了“獨(dú)立冗余磁盤陣列”。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,第3章,,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3.3 總 線 設(shè) 計(jì) 總線的類型 就允許信息傳送的方向來說，總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同。 總線按其用法可以分成專用的和非專用的。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,總線的控制方式 集中式控制 分布式總線控制

35、優(yōu)先次序裁決(1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞?2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式(3)獨(dú)立請(qǐng)求方式,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,總線的通信技術(shù) 同步通信異步通信“數(shù)據(jù)寬度”指的是I/O設(shè)備取得I/O總線使用權(quán)后所傳送數(shù)據(jù)的總量。 數(shù)據(jù)通路寬度指的是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個(gè)時(shí)鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3.4 通道處理機(jī) 通道種類 通道分為三種類型：字節(jié)多路通道

36、、選擇通道和數(shù)組多路通道。1、字節(jié)多路通道 為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。 字節(jié)多路通道包含有多個(gè)子通道，每個(gè)子通道連接一個(gè)設(shè)備控制器。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2、選擇通道 選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)。 每個(gè)選擇通道只有一個(gè)以成組方式工作的子通道，逐個(gè)為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3、數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道：把字節(jié)多路通道和選擇通道的

37、特性結(jié)合起來。 每次為一臺(tái)高速設(shè)備傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，并輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)。 數(shù)組多路通道可以被看作是以成組方式工作的高速多路通道。 從磁盤存儲(chǔ)器讀出一個(gè)文件的的過程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,通道流量分析 通道流量：單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。 通道最大流量：通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量

38、。,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,三種通道的最大流量計(jì)算公式如下：,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,通道流量與連接在這個(gè)通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率的關(guān)系如下： 為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，各種通道實(shí)際流量應(yīng)該不大于通道最大流量，即滿足下列不等式關(guān)系： fBYTE?fMAX·BYTE, fSELETE ? fMAX·SELETE, 　　 fBLOCK ? f

39、MAX·BLOCK,第3章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,4.1 存儲(chǔ)體系的概念和并行存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的主要性能：速度、容量、價(jià)格 速度用存儲(chǔ)器的訪問周期、讀出時(shí)間、頻帶寬度等表示。 容量用字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB和千兆字節(jié)GB等單位表示。 價(jià)格用單位容量的價(jià)格表示，如$/bit。存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何組織好速度、容量和價(jià)格均不相同的存儲(chǔ)器，使這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)

40、器相等，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1、并行訪問存儲(chǔ)器方法：把m字w位的存儲(chǔ)器改變成為m/n字n×w位的存儲(chǔ)器。邏輯實(shí)現(xiàn)：把地址碼分成兩個(gè)部分，一部分作為存儲(chǔ)器的地址，另一部分負(fù)責(zé)選擇數(shù)據(jù)。主要缺點(diǎn)：訪問沖突大(1) 取指令沖突(2) 讀操作數(shù)沖突(3) 寫數(shù)據(jù)沖突(4) 讀寫沖突,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2、高位交叉訪問存儲(chǔ)器主要目的：擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量實(shí)現(xiàn)

41、方法：用地址碼的高位區(qū)分存儲(chǔ)體號(hào)3、低位交叉訪問存儲(chǔ)器主要目的：提高存儲(chǔ)器訪問速度實(shí)現(xiàn)方法：用地址碼的低位區(qū)分存儲(chǔ)體號(hào),第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,存儲(chǔ)系統(tǒng)(存儲(chǔ)體系、存儲(chǔ)層次)的定義兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看，它是一個(gè)存儲(chǔ)器，這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存

42、儲(chǔ)器相等，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,主存－輔存層次 又稱虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，由主存儲(chǔ)器和磁盤存儲(chǔ)器構(gòu)成。 主要目的：擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量，彌補(bǔ)主存容量的不足。 在主存和輔存之間，增加輔助的軟硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從CPU看，速度接近主存的速度，容量是虛擬的地址空間，每位價(jià)格是接近于輔存的價(jià)格。由于虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)需要通過操作系統(tǒng)來調(diào)度，因此對(duì)系統(tǒng)程序員是不透明的，

43、但對(duì)應(yīng)用程序員是透明的。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Cache－主存層次： 又稱Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)，由Cache和主存儲(chǔ)器構(gòu)成。 主要目的：提高存儲(chǔ)器速度，彌補(bǔ)主存速度的不足。 在Cache和主存之間，增加輔助硬件，讓它們構(gòu)成一個(gè)整體。從CPU看，速度接近Cache的速度，容量是主存的容量，每位價(jià)格接近于主存的價(jià)格。由于Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，因此它對(duì)系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是透

44、明的。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,程序局部性原理局部性分為時(shí)間上的局部性和空間上的局部性。時(shí)間上的局部性是指最近訪問的代碼是不久將被訪問的代碼，這是由程序循環(huán)造成的?？臻g上的局部性是指那些地址上相鄰近的代碼可能會(huì)被一起訪問，這主要是由于指令通常是順序執(zhí)行的，以及數(shù)據(jù)一般是以向量、陣列等形式簇聚地存儲(chǔ)所致。 所以，程序在執(zhí)行時(shí)所用到的指令和數(shù)據(jù)的地址分布不會(huì)是隨機(jī)的，而是相對(duì)簇聚的。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)

45、院,存儲(chǔ)系統(tǒng)的單位容量平均價(jià)格計(jì)算公式：S2>>S1時(shí), C≈C2, 但S2與S1不能相差太大,M1(S1, C1 , T1),M2(S2, C2 , T2),,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度表示方法：訪問周期、存取周期、存儲(chǔ)周期、存取時(shí)間、讀出時(shí)間等。命中率定義：在M1存儲(chǔ)器中訪問到的概率。N1: M1的訪問次數(shù)N2: M2的訪問次數(shù)訪問周期與命中率的關(guān)系：同時(shí)啟動(dòng)時(shí)：T＝H

46、T1＋(1－H)T2不同時(shí)啟動(dòng)時(shí)：T＝T1＋(1－H)T2當(dāng)命中率H→1時(shí)，T→T1,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率： 存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率主要與命中率和兩級(jí)存儲(chǔ)器的速度之比有關(guān)。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,采用預(yù)取技術(shù)提高命中率方法：不命中時(shí)，把M2存儲(chǔ)器中相鄰幾個(gè)單元組成的一個(gè)數(shù)據(jù)塊都取出來送入M1存儲(chǔ)器中。計(jì)算公式：,其中：H’是采用預(yù)取技術(shù)后的命中率；H是原來的命中率；n為數(shù)據(jù)塊

47、大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,提高存儲(chǔ)系統(tǒng)速度的途徑： 一是提高命中率H。 二是兩個(gè)存儲(chǔ)器的速度不要相差太大。 三加快內(nèi)部地址映像及變換,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,4.2 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器工作原理 虛擬存儲(chǔ)器由主存儲(chǔ)器和聯(lián)機(jī)工作的外存儲(chǔ)器（磁盤存儲(chǔ)器）共同組成的。 把主存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器都劃分成固定大小

48、的頁，主存儲(chǔ)器的頁稱為實(shí)頁，虛擬存儲(chǔ)器中的頁稱為虛頁。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,用戶號(hào)U,虛頁號(hào)P,頁內(nèi)偏移D,多用戶虛擬地址Av的組成,實(shí)頁號(hào)p,頁內(nèi)偏移d,主存地址A的組成,一個(gè)主存地址A由兩部分組成，實(shí)頁號(hào)p和頁內(nèi)偏移d。 一個(gè)虛地址Av由三部分組成，用戶號(hào)U、虛頁號(hào)P和頁內(nèi)偏移D。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,內(nèi)部地址變換：多用戶虛擬地址Av變換成主存實(shí)地址A。多用戶虛擬地址中的頁內(nèi)偏移

49、D直接作為主存實(shí)地址中的頁內(nèi)偏移d。主存實(shí)頁號(hào)p與它的頁內(nèi)偏移d直接拼接起來就得到主存實(shí)地址A。外部地址變換： 首先查外頁表得到磁盤存儲(chǔ)器實(shí)地址。 把磁盤存儲(chǔ)器實(shí)地址和主存儲(chǔ)器實(shí)頁號(hào)送入輸入輸出處理機(jī)。 把要訪問數(shù)據(jù)所在的一整頁都從磁盤存儲(chǔ)器調(diào)入到主存儲(chǔ)器。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,地址的映像與變換 三種地址空間：虛擬地址空間，主存儲(chǔ)器地址空間，輔存地址空間 地址映像：把虛擬地址空

50、間映像到主存地址空間 地址變換：在程序運(yùn)行時(shí)，把虛地址變換成主存實(shí)地址 因地址映像和變換方法不同，有三種虛擬存儲(chǔ)器：頁式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器、段頁式虛擬存儲(chǔ)器。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,加快內(nèi)部地址變換的方法造成虛擬存儲(chǔ)器速度降低的主要原因：(1) 要訪問主存儲(chǔ)器須先查段表或頁表(2) 可能需要多級(jí)頁表頁表級(jí)數(shù)的計(jì)算公式：其中：Np為頁面的大小Nv為虛擬存儲(chǔ)空間大小Nd為一個(gè)頁表存儲(chǔ)字的大

51、小,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,頁面替換算法的使用場合：(1) 虛擬存儲(chǔ)器中，主存頁面的替換，一般用軟件實(shí)現(xiàn)(2) Cache塊替換一般用硬件實(shí)現(xiàn)(3) 虛擬存儲(chǔ)器的快慢表中，快表存儲(chǔ)字的替換，用硬件實(shí)現(xiàn)(4) 虛擬存儲(chǔ)器中，用戶基地址寄存器的替換，用硬件實(shí)現(xiàn)(5) 在有些虛擬存儲(chǔ)器中目錄表的替換,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1、頁面替換算法(1) 隨機(jī)算法(RAND Random algorithm)：

52、 算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)；沒有利用歷史信息，沒有反映程序的局部性，命中率低。(2) 先進(jìn)先出算法 (FIFO First-In First-Out algorithm)： 比較容易實(shí)現(xiàn)，利用了歷史信息，沒有反映程序的局部性。最先調(diào)入主存的頁面，很可能也是經(jīng)常要使用的頁面。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,(3) 近期最少使用算法 (LFU Least Frequently Used algorithm)：既充分利用了歷

53、史信息，又反映了程序的局部性，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。(4) 最久沒有使用算法 (LRU Least Recently Used algorithm)： 把LFU算法中的“多”與“少”簡化成“有”與“無”，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,(5) 最優(yōu)替換算法 (OPT OPTimal replacemant algorithm)： 是一種理想化的算法。用來作為評(píng)價(jià)其它頁面替換算法好壞的標(biāo)準(zhǔn)。 在虛

54、擬存儲(chǔ)器中，實(shí)際上有可能采用只有FIFO和LRU兩種算法。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1、目錄表 基本思想：用一個(gè)小容量高速存儲(chǔ)器存放頁表。2、快慢表 快表TLB(Translation Lookaside Buffer)：小容量(幾～幾十個(gè)字)，高速硬件實(shí)現(xiàn)，采用相聯(lián)方式訪問。 慢表：當(dāng)快表中查不到時(shí)，從存放在主存儲(chǔ)器中的慢表中查找按地址訪問，用軟件實(shí)現(xiàn)。 快

55、表與慢表也構(gòu)成了一個(gè)兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3、散列函數(shù) 目的：把相聯(lián)訪問變成按地址訪問，從而加大快表容量。 采用散列變換實(shí)現(xiàn)快表按地址訪問避免散列沖突：采用相等比較器地址變換過程：相等比較與訪問存儲(chǔ)器同時(shí)進(jìn)行。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,4.3 高速緩沖存儲(chǔ)器 (Cache ) 地址映像： 把存放在主存中的程序按照某種規(guī)則裝入到Cache中，并建立主存地址與Cache地址之

56、間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地址變換： 當(dāng)程序已經(jīng)裝入到Cache之后，在實(shí)際運(yùn)行過程中，把主存地址變換成Cache地址。在選取地址映像方法要考慮的主要因素： 地址變換的硬件容易實(shí)現(xiàn)；地址變換的速度要快；主存空間利用率要高；發(fā)生塊沖突的概率要小。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,1、全相聯(lián)映像及其變換 映像規(guī)則：主存中的任意一塊都可以映像到Cache中的任意一塊。 如果Cache的塊數(shù)為Cb，主存的塊數(shù)

57、為Mb，映像關(guān)系共有：Cb×Mb種。 用硬件實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。 在虛擬存儲(chǔ)器中，全部用軟件實(shí)現(xiàn)。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2、直接映像及其變換 映像規(guī)則：主存中一塊只能映像到Cache的一個(gè)特定的塊中。 計(jì)算公式：b＝B mod Cb，其中：b為Cache的塊號(hào)，B是主存的塊號(hào)，Cb是Cache的塊數(shù)。 整個(gè)Cache地址與主存地址的低位部分完全相同

58、。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,3、組相聯(lián)映像及其變換 組相聯(lián)映像實(shí)際上是全相聯(lián)映像和直接映像的折衷方案，所以其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)介于全相聯(lián)和直接映像方式的優(yōu)缺點(diǎn)之間。映像規(guī)則（位選擇映像算法）：主存和Cache按同樣大小劃分成塊；Cache劃分成大小相同的組，主存按照Cache組容量分區(qū)。主存每個(gè)分區(qū)中的塊容量與Cache的組容量相等。 主存塊到Cache組之間采用直接映像方式。在對(duì)應(yīng)的組內(nèi)部采用全相聯(lián)映像方式，組內(nèi)隨便

59、放。,第4章,2013.04,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Cache替換算法及其實(shí)現(xiàn)Cache替換算法使用的時(shí)間： 發(fā)生塊失效，且可以裝入新調(diào)入塊的幾個(gè)Cache塊都已經(jīng)被裝滿時(shí)。 直接映像方式實(shí)際上不需要替換算法。 全相聯(lián)映像方式的替換算法最復(fù)雜。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Cache的一致性問題本節(jié)討論的內(nèi)容僅限于單處理機(jī)、單存儲(chǔ)器。造成Cache與主存的不一致的原因：(1) 由于CPU寫Cache，沒有

60、立即寫主存。(2) 由于IO處理機(jī)或IO設(shè)備寫主存。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Cache的更新算法：(1) 寫直達(dá)法(寫通過法), Write-through CPU在執(zhí)行寫操作時(shí)，把數(shù)據(jù)同時(shí)寫入Cache和主存。(2) 寫回法 (抵觸修改法)Write-BackCPU數(shù)據(jù)只寫入Cache，不寫入主存，僅當(dāng)替換時(shí)，才把修改過的Cache塊寫回到主存。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,寫Cache的兩種方法：(1)

61、 不按寫分配法：在寫Cache不命中時(shí)，只把所要寫的字寫入主存。(2) 按寫分配法：在寫Cache不命中時(shí)，還把一個(gè)塊從主存讀入Cache。 目前，在寫回法中采用按寫分配法，在寫直達(dá)法中采用不按寫分配法。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,Cache的預(yù)取算法預(yù)取算法有如下幾種：(1) 按需?。涸诔霈F(xiàn)Cache不命中時(shí)，把一個(gè)塊取到Cache中來。(2) 恒預(yù)?。簾o論Cache是否命中，都把下一塊取到Cache中。(3)

62、 不命中預(yù)?。寒?dāng)Cache不命中，把本塊和下一塊取到Cache中。主要考慮因素： 命中率的提高； Cache與主存之間通信量的增加。,第4章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,5.1 重疊方式指令的重疊執(zhí)行方式1、順序執(zhí)行方式 執(zhí)行n條指令所用的時(shí)間為： 如果每段時(shí)間都為t，則執(zhí)行n條指令所用的時(shí)間為： T=3nt,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,主要優(yōu)點(diǎn)： 控制簡單，節(jié)省設(shè)備。主要缺點(diǎn)： 執(zhí)

63、行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。2、一次重疊執(zhí)行方式 一種最簡單的流水線方式。 如果兩個(gè)過程的時(shí)間相等，則執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：T=(1+2n)t,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,取指k,分析k,執(zhí)行k,取指k+1,分析k+1,執(zhí)行k+1,取指k+2,分析k+2,執(zhí),主要優(yōu)點(diǎn)：指令的執(zhí)行時(shí)間縮短。功能部件的利用率明顯提高。主要缺點(diǎn)：需要增加一些硬件。控制過程稍復(fù)雜。,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)

64、院,3、二次重疊執(zhí)行方式 如果三過程的時(shí)間相等，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：T=(2+n)t 理想情況下同時(shí)有三條指令在執(zhí)行。 處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要作比較大的改變，必須采用先行控制方式。,取指k+2,分析k+2,執(zhí)行k+2,取指k+1,分析k+1,執(zhí)行k+1,取指k,分析k,執(zhí)行k,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,先行控制方式的原理1、采用二次重疊執(zhí)行方式，必須解決兩個(gè)問題： (1) 有獨(dú)立的取指令部件、

65、指令分析部件 和指令執(zhí)行部件。 獨(dú)立的控制器：存儲(chǔ)控制器、指令控制器、運(yùn)算控制器。 (2) 要解決訪問主存儲(chǔ)器的沖突問題 取指令、分析指令、執(zhí)行指令都可能要訪問存儲(chǔ)器。,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2、解決訪存沖突的方法：(1) 采用低位交叉存取方式： 這種方法不能根本解決沖突問題。 取指令、讀操作數(shù)、寫結(jié)果。(2) 兩個(gè)獨(dú)立的存

66、儲(chǔ)器：獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時(shí)進(jìn)行。 在許多高性能處理機(jī)中，有獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。這種結(jié)構(gòu)被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,(3) 采用先行控制技術(shù) 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。

67、 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運(yùn)算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,第5章,相關(guān)處理方法：推后讀設(shè)置相關(guān)專用通路,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,第5章,5.2 流水方式空間并行性： 設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的操作部件。 多操作部件處理機(jī)。 超標(biāo)量處理機(jī)。時(shí)間并行性： 采用流水

68、線技術(shù)。 不增加或只增加少量硬件就能使運(yùn)算速度提高幾倍。 流水線處理機(jī)。 超流水線處理機(jī)。,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,流水線工作原理簡單流水線 流水線的每一個(gè)階段稱為流水步、流水步驟、流水段、流水線階段、流水功能段、功能段、流水級(jí)、流水節(jié)拍等。,分析器分析k+1,流水鎖存器,執(zhí)行部件執(zhí)行k,流水鎖存器,,,,,,,,,,,輸入,輸出,?t1,,,,,?t2,第5章,北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,