合肥工业大学2024年体系结构（丁贤庆）复习笔记（开源给学弟学妹们学习）

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计算机体系结构
流水线技术
CPU性能优化
Cache
多处理机
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合肥工业大学2024年体系结构（丁贤庆）复习笔记（开源给学弟学妹们学习）
体系结构复习
by 丁贤庆徒儿
第一章 体系结构的基本概念
1.1 计算机系统的层次结构
（1）计算机系统=硬件/固件+软件
（2）从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。
语言实现的两种基本技术：
（1） 翻译：先把 N+1 级程序全部转换成 N 级程序后，再去执行新产生的 N 级程序，在
执行过程中 N+1 级程序不再被访问。
（2） 解释：每当一条 N+1 级指令被译码后，就直接去执行一串等效的 N 级指令，然后
再去取下一条 N+1 级的指令，依此重复进行。
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。
1.2 计算机系统结构的定义
（1）计算机系统结构的经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特
性。
（2）计算机系统结构概念的实质：确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实
现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。
1.3 计算机系统结构的分类
（1）冯氏分类法：用系统的最大并行度对计算机进行分类。
最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。
（2）Flynn 分类法：按照指令流和数据流的多倍性进行分类。
分为以下四类：
单指令单数据流（SISD）
单指令多数据流（SIMD）
多指令流单数据流（MISD）
多指令流单数据流（MIMD）
1.4Amdahl 定律
掌握例题：
1.5CPU 性能公式
掌握例题：
MIPS:每秒执行多少百万条指令=指令条数/（执行时间 x(10^6)）
掌握例题：
1.6 程序的局部性原理：
程序的时间局部性：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。
程序的空间局部性：程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者
临近。
1.7 并行性的概念
（1）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。
从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高分为：
字串位串、字串位并、字并位串、全并行
从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高分为：
指令内部并行、指令级并行、线程级并行、任务级或过程级并行、作业或程序级并行
（2）提高并行性的技术途经：时间重叠、资源重复、资源共享
（3）多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理， 发展为 3 种不同的多处理机：
同构型多处理机、异构型多处理机、分布式系统
耦合度：反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。
第 2 章 计算机指令集结构
2.1 指令集结构的分类
（1）区分不同指令集结构的主要因素：CPU 中用来存储操作数的存储单元的类型
（2）CPU 中用来存储操作数的存储单元的主要类型： 堆栈、累加器、通用寄存器组
（3）指令集结构分为三钟类型： 堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构
通用寄存器结构进一步分为：
寄存器-存储器结构（RM 结构，操作数可以来自存储器）
寄存器-寄存器结构（RR 结构，所有操作数都是来自通用寄存器组）
通用寄存器结构（现代指令集结构的主流）的优势：
在灵活性和提高性能方面有明显的优势
①跟其他的 CPU 内部存储单元一样，寄存器的访问速度比存储器快。
②对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。
③寄存器可以用来存放变量。
2.2 寻址方式
可以简单看看那几种寻址方式，感觉没啥可考的。
2.3 指令集结构的功能设计
（1）在确定哪些基本功能用硬件来实现时，主要考虑 3 个因素：速度、成本、灵活性。
硬件实现特点：速度快、成本高、灵活性差
软件实现特点：速度慢、价格便宜、灵活性好
（2）对指令集设计的基本要求：完整性、规整性、高效率、兼容性
（3）两种指令集结构设计的策略：CISC(复杂指令集计算机)、RISC（精简指令集计算机）
RISC 指令集功能设计原则：
2.4 操作数的类型和大小
感觉没啥可看的，跳过
2.5 指令格式的设计
（1）指令由两部分组成：操作码和地址码
（2）指令格式的设计在于确定指令字的编码方式，包括操作码字段和地址码字段的编码和
表示方式。
（3） 两种表示寻址方式的方法：
（4）指令集的 3 种编码格式

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shybeeone
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