国防科大计算机体系结构最强复习资料

### 国防科大计算机体系结构最强复习资料 #### 第一章 基础 **1. 微处理器技术与计算机设计的复兴** - **背景介绍**：自20世纪70年代以来，微处理器技术的发展极大地推动了计算机体系结构的创新与进步。这一时期不仅见证了计算机体系结构方面的重大突破，同时也注重于技术改进的有效应用，从而实现了计算机设计的复兴。 - **发展意义**：微处理器技术的进步使得计算机能够更加高效地执行任务，同时降低了成本，提高了性能，这对于现代计算机系统的设计至关重要。 **2. 价格性能优化** - **桌面市场趋势**：在不同的价格和性能区间内，桌面市场通常倾向于优化价格性能比（Price-performance）。这意味着消费者和企业都希望在尽可能低的成本下获得最佳的性能表现。 - **实践意义**：对于设计师来说，理解如何平衡性能和成本是至关重要的，特别是在竞争激烈的桌面市场。 **3. 计算机系统的功耗问题** - **功耗因素**：现代计算机系统的功耗受多种因素的影响，包括芯片的时钟频率、效率、硬盘驱动器的速度及其利用率以及动态随机存取内存（DRAM）等。 - **解决策略**：为了降低功耗，可以通过提高芯片效率、调整时钟频率、优化硬盘使用情况等手段来实现。 **4. 服务器的关键特征** - **关键属性**：服务器的三个关键属性分别是可用性、可扩展性和吞吐能力。这些属性确保了服务器能够在各种环境下稳定、高效地运行。 - **实际应用**：在设计服务器时，需要综合考虑这些属性，以满足不同类型的应用场景需求。 **5. 响应时间和吞吐量** - **定义**：响应时间是指一个事件从启动到完成所需的时间；而吞吐量则是在一定时间内完成的工作总量。 - **应用场景**：对于仓库级计算机操作人员而言，他们更关注系统的吞吐量，因为它直接反映了系统的处理能力和效率。 **6. 计算机体系结构的定义** - **核心概念**：计算机体系结构是指传统机器程序员看到的计算机属性，包括概念性结构和功能特性。这是理解计算机系统运作的基础。 - **理论依据**：通过掌握计算机体系结构的基本概念，可以更好地理解计算机是如何工作的，以及如何进行有效的编程和优化。 **7. 冯·诺依曼结构的特点** - **结构特点**： - 以运算器为中心； - 采用存储程序原理； - 存储器按地址访问，线性编址； - 控制流由指令流产生； - 指令由操作码和地址码组成； - 数据采用二进制编码，进行二进制运算； - 由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成。 - **理论意义**：冯·诺依曼结构奠定了现代计算机体系结构的基础，几乎所有的现代计算机都是基于这一基本模型构建的。 **8. 程序的局部性原理** - **原理概述**：程序在运行过程中，倾向于重复使用最近使用过的信息，表现为时间和空间上的局部性。 - **应用价值**：理解局部性原理有助于优化程序性能，特别是在缓存管理和内存访问方面。 **9. 软件兼容** - **定义**：软件兼容是指在不同计算机之间可以不加修改地运行相同的程序。 - **意义**：软件兼容性是衡量计算机体系结构是否成熟的一个重要指标，也是实现跨平台应用的关键。 **10. 系列机的概念** - **定义**：系列机是指具有一致的体系结构，但在组成和实现上有差异的不同型号的计算机。 - **兼容性**：兼容机是指虽然来自不同的制造商，但具有相同的体系结构的计算机，它们之间可以共享软件资源。 **11. 并行性的概念** - **定义**：并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内执行多个运算或操作的能力。 - **分类**：并行性分为同时性和并发性，前者指事件在同一时刻发生，后者指事件在同一时间间隔内发生。 - **实际意义**：并行性是提高计算机系统性能的重要途径之一。 **12. 大概率事件优先原则** - **定义**：对于频繁发生的事件，给予优先处理权和资源使用权。 - **应用案例**：在调度算法中，频繁访问的数据可能会被优先加载到缓存中，以提高访问速度。 **13. Amdahl定律** - **定义**：Amdahl定律指出，在对系统中的某个部分进行改进后，整个系统的性能提升受到该部分执行时间占总执行时间比例的限制。 - **数学表达式**：如果系统中可改进的部分占总执行时间的比例为p，那么整个系统的最大加速比S由以下公式给出：\(S = \frac{1}{(1-p)+\frac{p}{k}}\)，其中k为该部分的加速比。 - **实际应用**：Amdahl定律在评估硬件和软件优化效果时非常有用。 **14. 器件故障概率与时间关系** - **定义**：器件发生故障的概率随时间的变化可以用学习曲线来描述。 - **应用场景**：在设计计算机系统时，了解器件的可靠性对于预测其寿命和制定维护计划非常重要。 **15. 易失性和非易失性存储器** - **定义**：易失性存储器（如DRAM）在断电后会丢失数据；而非易失性存储器（如磁盘）则可以在没有电源的情况下保持数据。 - **应用区别**：易失性存储器适合用于高速缓存等需要快速访问的应用场合，而非易失性存储器则适用于长期存储数据的需求。 **16. 模拟** - **定义**：模拟是指使用软件方法在现有计算机上实现另一种计算机的指令系统。 - **应用场景**：模拟在虚拟化技术、软件开发和测试等领域有着广泛的应用。 #### 第二章 指令系统 **1. 指令系统设计要素** - **主要组成部分**：设计指令系统涉及寻址方式设计、指令集功能设计、操作数表示和数据类型、指令系统编码设计等方面。 - **设计原则**：良好的指令系统设计应当简洁明了，易于理解和实现，同时也要满足特定的应用需求。 **2. RISC与CISC的区别** - **定义**：RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）是两种不同的指令系统设计思路。 - **设计思想**：RISC旨在通过减少指令数量和简化指令格式来提高执行效率；而CISC则试图通过提供复杂的指令来减少程序的长度。 - **应用场景**：RISC架构通常用于高性能计算和嵌入式系统中，而CISC架构则更多应用于个人电脑和工作站。 **3. 寄存器-寄存器型指令结构** - **定义**：Load/Store型指令结构是一种典型的寄存器-寄存器型指令结构。 - **工作原理**：这类指令通常用于数据的加载和存储操作，通过寄存器之间的数据交换来实现。 - **优势**：这种结构可以简化指令集，提高指令解码和执行的速度。 以上知识点概括了《国防科大计算机体系结构最强复习资料》的第一章和第二章内容，涵盖了计算机体系结构的基本概念、原理和技术要点。这些知识点对于深入理解计算机系统的设计和运作机制具有重要意义。