高级计算机系统结构

### 高级计算机系统结构知识点总结 #### 一、计算机分类及特性 1. **桌面计算机**（Desktop/Laptop Computer）： - **性能特点**：适用于日常办公、娱乐及轻度游戏需求，具备良好的便携性和适中的性能。 - **应用范围**：家庭、办公室、教育等领域。 2. **服务器计算机**（Server Computer）： - **性能特点**：由大量处理器组成，能够处理复杂的计算任务和大量的并发请求。 - **应用范围**：数据中心、云计算平台、高性能计算中心等。 3. **嵌入式计算机**（Embedded Computer）： - **性能特点**：专为特定应用场景设计，功耗低、体积小、可靠性高。 - **应用范围**：智能家居、汽车电子、工业自动化等领域。 #### 二、计算机性能 1. **Amdahl定律**：该定律描述了在多处理器环境下，通过增加处理器数量提高系统性能的可能性。公式表达为： \[ Speedup = \frac{1}{(1-f) + f/n} \] 其中，\(Speedup\) 表示加速比，\(f\) 表示可以被并行化的部分占整个任务的比例，\(n\) 表示处理器的数量。 #### 三、计算机语言 1. **字节编址**： - **大端格式**：高位字节存储在低地址位置。 - **小端格式**：低位字节存储在低地址位置。 2. **MIPS汇编指令**：MIPS是一种简化指令集计算机（RISC），其指令集非常规则且易于理解。例如： - **存储访问指令**：`sw`（存储字）、`lw`（加载字）。 - **算术逻辑指令**：`add`（加法）、`sub`（减法）、`addi`（带立即数的加法）。 - **分支指令**：`beq`（条件相等则跳转）、`j`（无条件跳转）。 #### 四、处理器架构比较 1. **ARM处理器与Intel处理器的区别**： - **架构差异**：ARM采用RISC（精简指令集），Intel采用CISC（复杂指令集）。 - **性能定位**：ARM侧重于低功耗应用，Intel侧重于高性能应用。 - **64位支持**：ARM设计了新的64位架构ARMv8，可以在32位与64位模式间无缝切换；Intel则推出了IA64作为64位扩展。 2. **异构计算**： - **ARM big.LITTLE架构**：通过结合不同类型的处理器核心来优化功耗与性能。例如，Cortex-A53采用顺序执行，功耗较低；Cortex-A57采用乱序执行，性能较高。 - **Intel处理器**：是否包含乱序逻辑取决于具体设计，而ARM的big.LITTLE架构实现了异构计算。 3. **兼容性**：ARM架构的广泛应用促使其他处理器设计者提供兼容层。 #### 五、单周期MIPS处理器设计 1. **程序执行时间**：\[T_{exec} = I \times CPI \times T\]，其中： - \(I\)：程序中的指令总数。 - \(CPI\)：每条指令平均需要的时钟周期数。 - \(T\)：每个时钟周期的时间长度。 2. **MIPS指令集**： - 存储访问指令：如`sw`（存储字）、`lw`（加载字）。 - 算术逻辑指令：如`add`、`sub`（寄存器操作），`addi`、`subi`（寄存器与立即数操作）。 - 分支指令：如`beq`、`j`等。 3. **控制信号**： - `Regwrite`：寄存器写信号。 - `RegDst`：目的寄存器选择信号。 - `M2reg`：内存内容输出到寄存器。 - `MemRead`：内存读信号。 - `MemWrite`：内存写信号。 - `ALUSrc`：ALU源操作数选择。 - `Operation`：ALU操作码。 - `PCSrc`：程序计数器源的选择。 #### 六、流水线技术 1. **基本概念**： - 流水线技术通过重叠多条指令的执行来提高效率。 - 可分为均匀流水线和非均匀流水线、标量流水处理机和向量流水处理机、操作流水线、指令流水线和宏流水线、单功能流水线与多功能流水线、静态流水线和动态流水线、线性流水线和非线性流水线、顺序流水线和乱序流水线等。 2. **解决访存冲突的方法**： - 将主存分为指令存储器和数据存储器。 - 采用低位交叉存取方式。 - 指令预取。 3. **流水线的特点**： - 适用于连续任务处理。 - 依赖多个功能部件的并行工作。 - 需要在每个功能部件后设置锁存器。 通过以上知识点的总结，我们可以看出高级计算机系统结构涉及的内容十分广泛，从计算机分类、性能评估到指令集设计、流水线技术等都有深入的探讨。这些知识点不仅有助于学生理解和掌握计算机系统的本质，也为实际应用提供了坚实的理论基础。