計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)詳盡描述一.計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)概念1.計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念1964年G.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時提出:計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從程序員所看到計算機(jī)屬性,即程序員編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行程序所必需了解概念性結(jié)構(gòu)和功效特征。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是對計算機(jī)系統(tǒng)中各級界面劃分、定義及其上下功效分配。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵研究界面屬性透明性取舍。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（體系結(jié)構(gòu)）指是傳統(tǒng)機(jī)器級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究是軟、硬件之間功效分配以及對傳統(tǒng)機(jī)器級界面確定。2.計算機(jī)系統(tǒng)多級層次結(jié)構(gòu)二.計算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)五個原因?qū)τ嬎銠C(jī)指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類:在CPU中操作數(shù)存放方法;指令中顯式表示操作數(shù)個數(shù);操作數(shù)尋址方法;指令集所提供操作類型;操作數(shù)類型和大小。其中1是最關(guān)鍵區(qū)分依據(jù)CPU內(nèi)部存放單元類型,可將指令集結(jié)構(gòu)分為堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。優(yōu)缺點？堆棧型（其CPU中存放操作數(shù)關(guān)鍵單元是堆棧）:是一個表示計算簡單模型;指令短小。不能訪問堆棧,從而極難生成有效代碼;同時,因為堆棧是瓶頸,所以極難被高效地實現(xiàn)。累加器型（其CPU中存放操作數(shù)關(guān)鍵單元是累加器）:降低了機(jī)器內(nèi)部狀態(tài);指令短小。因為累加器是唯一暫存器,這種機(jī)器存放器通信開銷最大。寄存器型（CPU中存放操作數(shù)關(guān)鍵單元是通用寄存器）:易于生成高效目標(biāo)代碼。全部操作數(shù)均需命名,且要顯式表示,所以指令比較長現(xiàn)代大多數(shù)機(jī)器均采取通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu),原因:一是寄存器和CPU內(nèi)部其她存放單元一樣,要比存放器快;其次是對編譯器而言,能夠愈加輕易、有效地分配和使用寄存器。寄存器－寄存器型（RR）優(yōu)點:簡單,指令字長固定,是一個簡單代碼生成模型,多種指令實施時鐘周期數(shù)相近。缺點:和ALU指令中含存放器操作數(shù)指令集結(jié)構(gòu)相比,指令條數(shù)多,所以其目標(biāo)代碼量較大。寄存器－存放器（RM）優(yōu)點:能夠直接對存放器操作數(shù)進(jìn)行訪問,輕易對指令進(jìn)行編碼,且其目標(biāo)代碼量較小。缺點:指令中操作數(shù)類型不一樣。在一條指令中同時對一個寄存器操作數(shù)和存放器操作數(shù)進(jìn)行編碼,將限制指令所能夠表示寄存器個數(shù)。因為指令操作數(shù)能夠存放在不一樣類型存放器單元,所以每條指令實施時鐘周期數(shù)也不盡相同存放器－存放器型（MM）優(yōu)點:是一個最緊密編碼方法,無需“浪費(fèi)”寄存器保留變量。缺點:指令字長多個多樣。每條指令實施時鐘周期數(shù)也大不一樣,對存放器頻繁訪問將造成存放器訪問瓶頸問題CISC即復(fù)雜指令集計算機(jī)。它是增強(qiáng)指令功效,把越來越多功效交由硬件來實施,而且指令數(shù)量也是越來越多。RISC精簡指令集計算機(jī)。它是盡可能把指令集簡化,不僅指令條數(shù)少,而且指令功效也比較簡單。三.流水線技術(shù)流水線技術(shù):將一個反復(fù)時序過程分解成為若干個子過程,而每一個子過程都可有效地在其專用功效段上與其她子過程同時實施。時空圖:用來描述流水線工作,橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)代表流水線各段。流水技術(shù)有哪些特點？1）流水過程由多個相聯(lián)絡(luò)子過程組成,每個過程稱為流水線“級”或“段”。2）每個子過程由專用功效段實現(xiàn)。3）各個功效段所需時間應(yīng)盡可能相等。4）流水線需要有“經(jīng)過時間”,在此以后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),每一個時鐘周期(拍)流出一個結(jié)果。5）流水技術(shù)適合于大量反復(fù)時序過程,只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù),流水線效率才能充足發(fā)揮。多倍性:在系統(tǒng)受限部件上,同時處于同一實施階段指令或數(shù)據(jù)最大數(shù)目。流水線分類1根據(jù)流水線所完成功效（1）單功效流水線:只能完成一個固定功效流水線（2）多功效流水線:流水線各段能夠進(jìn)行不一樣連接,從而使流水線在不一樣時間,或者在同一時間完成不一樣功效。2根據(jù)同一時間內(nèi)各段之間連接方法（1）靜態(tài)流水線:在同一時間內(nèi),流水線各段只能按同一個功效連接方法工作。2）動態(tài)流水線:在同一時間內(nèi),當(dāng)一些段正在實現(xiàn)某種運(yùn)算時,另部分段卻在實現(xiàn)另一個運(yùn)算。3根據(jù)流水等級（1）部件級流水線（運(yùn)算操作流水線）:把處理機(jī)算術(shù)邏輯部件分段,方便為多種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。（2）處理機(jī)級流水線（指令流水線）:把解釋指令過程根據(jù)流水方法處理。（3）處理機(jī)間流水線（宏流水線）:由兩個以上處理機(jī)串行地對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理,每個處理機(jī)完成一項任務(wù)。4按數(shù)據(jù)表示（1）標(biāo)量流水處理機(jī):處理機(jī)不含有向量數(shù)據(jù)表示,僅對標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。（2）向量流水處理機(jī):處理機(jī)含有向量數(shù)據(jù)表示,并經(jīng)過向量指令對向量各元素進(jìn)行處理。5根據(jù)流水線中是否有反饋回路（1）線性流水線:流水線各段串行連接,沒有反饋回路。（2）非線性流水線:流水線中除有串行連接通路外,還有反饋回路。流水線寄存器作用:把數(shù)據(jù)和控制信息從一個流水段傳送到下一個流水段。消除流水線瓶頸段:細(xì)分瓶頸段;反復(fù)設(shè)置瓶頸段。價流水線性能指標(biāo)(1)吞吐率:指在單位時間內(nèi)流水線所完成任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果數(shù)量。(2)流水線加速比:指m段流水線速度與等功效非流水線速度之比。(3)效率:指流水線設(shè)備利用率。流水線相關(guān)三種類型:相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依靠關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣相關(guān),對于充足發(fā)揮流水線效率相關(guān)鍵意義。 1.結(jié)構(gòu)相關(guān):當(dāng)指令在重合實施過程中,硬件資源滿足不了指令重合實施要求,發(fā)生資源沖突時將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”;2.數(shù)據(jù)相關(guān):當(dāng)一條指令需要用到前面指令實施結(jié)果,而這些指令均在流水線中重合實施時,就可能引發(fā)“數(shù)據(jù)相關(guān)”;3.控制相關(guān):當(dāng)流水線碰到分支指令和其她會改變PC值指令時就會發(fā)生“控制相關(guān)”。消除相關(guān)基礎(chǔ)方法:1讓流水線暫停實施一些指令,而繼續(xù)實施其她部分指令。2當(dāng)一條指令被暫停時,在該暫停指令以后發(fā)射全部指令都要被暫停,而在該暫停指令之前發(fā)射指令則可繼續(xù)實施,在暫停期間,流水線不會取新指令。輸入/輸出方法:程序控制（程序等候、程序中止）、DMA、通道、I/O處理機(jī)數(shù)據(jù)相關(guān):對于兩條指令i（在前）和j（在后）,假如下述條件之一成立,則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān):（1）指令j使用指令i產(chǎn)生結(jié)果;（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān),而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。名相關(guān)假如兩條指令使用相同名,不過它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動,則稱這兩條指令存在名相關(guān)。指令j與指令i之間名相關(guān)有以下兩種:（1）反相關(guān)。假如指令j寫名與指令i讀名相同,則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。反相關(guān)指令之間實施次序是必需嚴(yán)格遵守,以確保i讀值是正確。（2）輸出相關(guān)。假如指令j和指令i寫相同名,則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。輸出相關(guān)指令實施次序是不能顛倒,以確保最終結(jié)果是指令j寫進(jìn)去。處理方法:換名技術(shù),經(jīng)過改變指令中操作數(shù)名來消除名相關(guān)?？刂葡嚓P(guān):由分支指令引發(fā)相關(guān)。它需要依據(jù)分支指令實施結(jié)果來確定后續(xù)指令是否實施。流水線沖突指對于具體流水線來說,因為相關(guān)存在,使得指令流中下一條指令不能在指定時鐘周期實施。（1）結(jié)構(gòu)沖突:因硬件資源滿足不了指令重合實施要求而發(fā)生沖突。處理方法:流水化功效單元;資源反復(fù);暫停流水線。（2）數(shù)據(jù)沖突:當(dāng)指令在流水線中重合實施時,因需要用到前面指令實施結(jié)果而發(fā)生沖突。依據(jù)指令對寄存器讀寫次序,可將數(shù)據(jù)沖突分為:寫后讀沖突;寫后寫沖突;讀后寫沖突。（3）控制沖突:流水線碰到分支指令和其她會改變PC值指令所引發(fā)沖突。四種處理數(shù)據(jù)沖突方法:1）定向技術(shù):在某條指令產(chǎn)生一個結(jié)果之前,其她指令并不真正需要該計算結(jié)果,假如將該計結(jié)果從其產(chǎn)生地方直接送到其她指令需要它地方,就能夠避免暫停;2）暫停技術(shù):設(shè)置一個“流水線互鎖”功效部件,一旦流水線互鎖檢測到數(shù)據(jù)相關(guān),流水線暫停實施發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)指令后續(xù)全部指令,直到該數(shù)據(jù)相關(guān)處理為止。;3）采取編譯器調(diào)度。當(dāng)流水線中出現(xiàn)沖突時,編譯器經(jīng)過重新排列代碼次序來消除流水線中暫停,這種技術(shù)稱為流水線調(diào)度4）重新組織代碼次序。流水線設(shè)計者有時會許可結(jié)構(gòu)沖突存在,原因:一是為了降低硬件開銷,二是為了降低功效單元延遲。向量處理機(jī):含有向量數(shù)據(jù)表示和對應(yīng)向量指令流水線處理機(jī)。向量處理方法(1)水平處理方法:向量計算是按行方法從左到右橫向地進(jìn)行。若向量長度為N,則水平處理方法相當(dāng)于實施N次循環(huán)。若使用流水線,在每次循環(huán)中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)和功效轉(zhuǎn)換,不適合對向量進(jìn)行流水處理。(2)垂直處理方法:適合對向量進(jìn)行流水處理,向量運(yùn)算指令源/目向量都放在存放器內(nèi),使得流水線運(yùn)算部件輸入、輸出端直接與存放器相聯(lián),組成MM型（存放器－存放器）運(yùn)算流水線。(3)分組處理方法:適合流水處理?？稍O(shè)長度為n向量寄存器,使每組向量運(yùn)算源/目向量都在向量寄存器中,流水線運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián),組成RR型運(yùn)算流水線。提升向量處理機(jī)性能方法:多個功效部件;鏈接技術(shù);分段開采技術(shù);多處理機(jī)系統(tǒng) 向量鏈接技術(shù):當(dāng)兩條向量指令出現(xiàn)“寫后讀”相關(guān)時,若它們不存在功效部件沖突和向量寄存器(源或目)沖突,就有可能把它們所用功效部件頭尾相接,形成一個鏈接流水線,進(jìn)行流水處理。鏈接技術(shù)應(yīng)用條件:1.無功效部件沖突2.無向量寄存器使用沖突3.只有在前一條指令第1個結(jié)果元素送入結(jié)果向量機(jī)寄存器那個時鐘周期才能夠進(jìn)行鏈接。4.當(dāng)一條向量指令兩個源操作數(shù)分別是兩條先行指令結(jié)果寄存器時,要求先行指令產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果時間必需相等。5.要求進(jìn)行鏈接實施向量指令向量長度必需相等。四.指令級并行指令級并行:當(dāng)指令之間不存在相關(guān)時,它們能夠在流水線中重合起來并行實施。這種指令序列中存在潛在并行性稱為指令級并行。靜態(tài)調(diào)度技術(shù):依靠編譯器對代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度,以降低相關(guān)和沖突。它不是在程序?qū)嵤┻^程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化。靜態(tài)調(diào)度經(jīng)過把相關(guān)指令拉開距離來降低可能產(chǎn)生停頓。動態(tài)調(diào)度方法:在流水線中出現(xiàn)相關(guān)時,經(jīng)過硬件重新安排指令實施次序,來調(diào)整相關(guān)指令實際實施時關(guān)系,降低處理器空轉(zhuǎn)。優(yōu)點。（1）能夠處理部分編譯時情況不明相關(guān)（比如包含存放器訪問相關(guān)）,并簡化了編譯器。（2）能夠使原來是面向某一流水線優(yōu)化編譯代碼在其她流水線（動態(tài)調(diào)度）上也能高效地實施。當(dāng)然,動態(tài)調(diào)度這些優(yōu)點是以硬件復(fù)雜性顯著增加為代價。為了支持亂序?qū)嵤?將5段流水線譯碼（ID）段細(xì)分為兩個段（1）流出:指令譯碼,并檢驗是否存在結(jié)構(gòu)沖突。假如不存在結(jié)構(gòu)沖突,就將指令流出。（2）讀操作數(shù):等候數(shù)據(jù)沖突消失（假如有話）,然后讀操作數(shù)。Tomasulo算法關(guān)鍵思想①統(tǒng)計和檢測指令相關(guān),操作數(shù)一旦就緒就立刻實施,把發(fā)生RAW沖突可能性降低到最少;②經(jīng)過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。Tomasulo算法基礎(chǔ)思想是:只要操作數(shù)有效,就將其取到保留站,避免指令流出時才到寄存器中取數(shù)據(jù),這就使得立即實施指令從對應(yīng)保留站中取得操作數(shù),而不是從寄存器中。指令實施結(jié)果也是直接送到等候數(shù)據(jù)其她保留站中去。所以,對于連續(xù)寄存器寫,只有最終一個才真正更新寄存器中內(nèi)容。一條指令流出時,存放操作數(shù)寄存器名被換成為對應(yīng)于該寄存器保留站名稱（編號）。指令流出邏輯和保留站相結(jié)合實現(xiàn)寄存器換名,從而完全消除了數(shù)據(jù)寫后寫和先讀后寫相關(guān)這類名相關(guān)。保留站:設(shè)置在運(yùn)算部件入口,每個保留站中保留一條已經(jīng)流出并等候到本功效部件實施指令（相關(guān)信息）,包含操作碼、操作數(shù)以及用于檢測和處理沖突信息。動態(tài)分支估計技術(shù)在程序運(yùn)行時,依據(jù)分支指令過去表現(xiàn)來估計其未來行為。假如分支行為發(fā)生了改變,估計結(jié)果也跟著改變。動態(tài)分支估計技術(shù)目有兩個:估計分支是否成功和立刻找到分支目標(biāo)地址（或指令）,從而避免因控制相關(guān)而造成流水線停頓。需要處理兩個關(guān)鍵問題（1）怎樣統(tǒng)計分支歷史信息;（2）怎樣依據(jù)這些信息來估計分支去向（甚至取到指令）。前瞻實施基礎(chǔ)思想。對分支指令結(jié)果進(jìn)行猜測,并假設(shè)這個猜測總是對,然后按這個猜測結(jié)果繼續(xù)取、流出和實施后續(xù)指令。只是實施指令結(jié)果不是寫回到寄存器或存放器,而是放到一個稱為ROB緩沖器中。等到對應(yīng)指令得到“確定”（即確實是應(yīng)該實施）后,才將結(jié)果寫入寄存器或存放器。五.存放層次單級存放器關(guān)鍵矛盾:速度越快,每位價格就越高。容量越大,每位價格就越低。容量越大,速度越慢。采取多級存放層次方法來處理。從用戶角度來看,存放器三個關(guān)鍵指標(biāo)是:容量、速度和價格。評價存放層次關(guān)鍵參數(shù):存放層次平均每位價格、命中率或失效率、平均訪問時間。“Cache－主存”層次:在CPU和主存之間增加一級速度快、但容量較小而每位價格較貴高速緩沖存放器。借助于輔助軟硬件,它與主存組成一個有機(jī)整體,以填補(bǔ)主存速度不足。“主存－輔存”層次:目是為了填補(bǔ)主存容量不足。它是在主存外面增加一個容量更大、每位價格更廉價、但速度更慢存放器。它們依靠輔助軟硬件作用,組成一個整體。關(guān)鍵區(qū)分是什么？目:為了填補(bǔ)主存速度不足;為了填補(bǔ)主存容量不足。存放管理實現(xiàn):全部由專用硬件實現(xiàn);關(guān)鍵由軟件實現(xiàn)。經(jīng)典塊（頁）大小:幾十個字節(jié);幾百到幾千個字節(jié)。CPU對第二級訪問方法:可直接訪問;均經(jīng)過第一級。不命中時CPU是否切換:不切換切換到其她進(jìn)程存放層次中應(yīng)處理四個問題:映像規(guī)則:當(dāng)把一個塊調(diào)入高一層存放器時,能夠放到哪些位置上。查找算法:當(dāng)所要訪問塊在高一層存放器中時,怎樣找到該塊。替換算法:當(dāng)發(fā)生失效時,應(yīng)替換哪一塊。寫策略:當(dāng)進(jìn)行寫訪問時,應(yīng)進(jìn)行哪些操作。地址映像方法,優(yōu)缺點全相聯(lián)映像。實現(xiàn)查找機(jī)制復(fù)雜,代價高,速度慢。Cache空間利用率較高,塊沖突概率較低,所以Cache失效率也低。直接映像。實現(xiàn)查找機(jī)制簡單,速度快。Cache空間利用率較低,塊沖突概率較高,所以Cache失效率也高。（3）組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)一個折中。組相聯(lián)Cache比相同容量直接映像Cache失效率低。由此是否能夠得出結(jié)論:采取組相聯(lián)Cache一定能帶來性能上提升？為何？不一定。因為組相聯(lián)命中率提升是以增加命中時間為代價,組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)。Cache中,實現(xiàn)并行查找方法:1用相聯(lián)存放器實現(xiàn)。2用單體多字存放器和比較器來實現(xiàn)。替換算法（1）法:簡單、易于用硬件實現(xiàn),但這種方法沒有考慮Cache塊過去被使用情況,反應(yīng)不了程序局部性,所以其失效率比LRU高。（2）優(yōu)異先出法:輕易實現(xiàn)。它即使利用了同一組中各塊進(jìn)入Cache次序這一“歷史”信息,但還是不能正確地反應(yīng)程序局部性。（3）最近最少使使用方法LRU:失效率最低。不過LRU比較復(fù)雜,硬件實現(xiàn)比較困難。有效構(gòu)建方法:在構(gòu)建系統(tǒng)過程中消除故障隱患,這么建立起來系統(tǒng)就不會出現(xiàn)故障。寫策略寫直達(dá)法:易于實現(xiàn),而且下一級存放器中數(shù)據(jù)總是最新。(2)寫回法:速度快,寫操作能以Cache存放器速度進(jìn)行。而且對于同一單元多個寫最終只需一次寫回下一級存放器,有些“寫”只抵達(dá)Cache,不抵達(dá)主存,所以所使用存放器頻帶較低。六.輸入/輸出系統(tǒng)輸入/輸出系統(tǒng)簡稱I/O系統(tǒng),它包含I/O設(shè)備以及I/O設(shè)備與處理機(jī)連接?？偩€按用途分類,總線可分為(1)CPU存放器總線。CPU存放器總線比較短,通常含有較高速度,而且要和存放器系統(tǒng)速度匹配來優(yōu)化帶寬。(2)I/O總線。I/O總線要連接很多不一樣類型、不一樣帶寬設(shè)備,所以比較長,而且應(yīng)遵照總線標(biāo)準(zhǔn)。按設(shè)備定時方法分類,總線可分為(1)同時總線。全部設(shè)備經(jīng)過統(tǒng)一總線系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同時。成本低,因為它不需要設(shè)備之間相互確定時序邏輯。缺點:總線操作必需以相同速度運(yùn)行。(2)異步總線。設(shè)備之間沒有統(tǒng)一系統(tǒng)時鐘,設(shè)備自己內(nèi)部定時。設(shè)備之間信息傳送用總線發(fā)送器和接收器控制。輕易適應(yīng)更廣泛設(shè)備類型,擴(kuò)充總線時不用擔(dān)心時鐘時序和時鐘同時問題。但在傳輸時,異步總線需要額外同時開銷。輸入輸出系統(tǒng)概述經(jīng)歷了3個階段對應(yīng)著3種方法:程序控制I/O（程序查詢、中止驅(qū)動）、直接存放器訪問（DMA）、I/O處理機(jī)方法（通道、外圍處理機(jī)PPU）。輸入輸出設(shè)備分外存和傳輸設(shè)備兩大類?？偩€設(shè)計總線分類:半雙工、全雙工;芯片級、板級（局部總線）、系統(tǒng)級;專用總線、非專用總線。依據(jù)信息傳送方法不一樣通道分為三種類型:字節(jié)多路通道:一個簡單共享通道,