计算机体系结构

计算机体系结构每个时钟周期流出一条指令，而且要减少数据相关和控制相关，达到超标量处理器每时钟周期流出用结果的；而在超标量流水线中，在同一个时钟周期和下一个时例超标量处理器与超长指令字处理器相比有两个优点：、多指令流出，可用记分牌技术或算法进行动态调度处理。这是根本因素。流水线处理器需要大量可并行执行操作才能避免流水线停顿。如延迟个时钟周期，则需条无关指令。通常：无关指令数流水线深度可以同时工作功能部件数。所以意味着个功能部件的流水线忙起来，大约需条无关指令。超标量和超长指令字固有的技术限制指令级并行是实现高性能中央处理器的主要手段。指令功能调度：记分牌技术和；第五章存储层次存储器是计算机的核心部件其性能直接关系到整个计算机系统性能的高低。存储系统的设计目标是：高速度、大容量、低成本。存储器的层次结构单机存储器多级存储器和存储层次计算机软件设计者和计算机用户希望容量越大越好而求速度要快价格不能太昂贵。存储器的三个主要指标是：容量、速度和价格每位价格。实际情况：速度越快每位价格就越高；容量越大每位价格就越低；容量越大速度越解决方法：采用存储层次用多种存储器构成存储器的层次结构。存储层次MnMnM1M2层次存储器中的数据特征：最常用的数据在M中，次常用的在M中，最少使用的在nn层次存储器设计的依据：程序局部性原理。在层次存储中，靠近CPU的存储器中的数据一般都是其下一层存储器中数据的子集。CPU访存时的基本原则：由近及远，首先是访问M，若在M中找不到所要的数据，就要访问M，将包含所需数据的块或页面调入M。若在M中还找不到，就要访问M，依次类推。如果所有层次中都没有，就出现错误。存储层次的性能参数研究方法：层次存储器基本问题通过两层存储器结构进行研究。命中率：命中率为访问存储系统时，在中M找到所需信息地概率。访问M和NM的次数为和，则H=1，不命中率或失效率是指访存时在M中2N+N1找不到所需信息的概率：A()大多数二级存储层次结构下，当不命中M时，就必须从M中访把包含所请求的字的信息块传送到M。1A1A2A1M其中T＝T，为从向M发出访问请求到把整个数据块调入M中所需的时间。MA221TA=HTA1+(1-H)(TA1+TM)=TA1+(1-H)TM或TA=TA1＋FTM即：“主存”和“主存－辅存”层次“主存”层次的工作几乎完全由硬件实现，因此它不但对应用程序员是透明的，而且对系统程序员几乎也是透明的。“主存－辅存”层次为弥补主存的容量，在主存外面增加一个容量更大、价格更便宜、但速度更慢的存储器编程人员提供大量的程序空间。“主存”层和“主存－辅存”层的简单比较“主存”结构层次如图所示()“主存－辅存”结构层次如图所示()表对“主存”层和“主存－辅存”层做了一个简单比较。两级存储器之间的四个基本问题基本知识是按块进行管理的，和主存均被分割成大小相同的块，信息以块为单位调的访问地址被分割成两部分：块地址和块内位移。主存地址：块地址块地址块内偏移量三种映象规则如图所示()全相联：是指主存中的任一块可以被放置到中的任何一个位置的方法。直接映象：是指主存中的每一个块只能被放置到中唯一的一个位置。全相联映象主存中的任一块可以被放置到中的任何一个位置。如图()所示()位因此，可以直接用主存块地址的低位去选择直接映象中的相应块。组相联映象如图所示。它是直接映象和全相联的一种折衷：首先是映象到唯一的一个组上（直接映象的特征然后这个块可以位可以直接用主存块地址的低位去选择中的相应组。这里的低位以及上述直接映象中的低位通称位索引。相联度。直接映象和全相联是组相联的两种极端情况。()全相联的失效率最低，直接映象的失效率最高；增大值并不一定能使整个计算机系统的性能提高，而且还会使的实现复杂绝大多数计算机都采用直接映象，两路组相联或四路组相联。 一般采用单体多字节存储器和比较器来实现并行查找。N越大，实现查找的机制就越复杂，代价就越高。P给出了路组相联并行标识比较。就是替换算法所要解决的问题。评价替换算法的标准：尽可能避免替换马上就要用到的信息。优点：简单、易于用硬件实现，且对于调试硬件很有用。不足：没有考虑Cache块被使用的情况最早装入相应组的块作为被替换的块。优点：容易实现。的局部性。因为最先进入的块，很可能是经常要用的块。3．最近最少使用法LRU选择近期最少被访问的块作为被替换的块。优点：反映程序的局部性原理，因而其失效率在上述三种方法中最低的。会越来越高，而且经常知识近似实现（选择最久没有被访问过的块作为被替换的块）。LRU实际上是依据局部性原理的一个推论：如果最近刚用过的块很可能就是马上要再用到的块，则最久没用过的块就是最佳的被替换者。P表给出了与随机法在失效率方面的比较。和随机法分别因其失效率低和实现简单而被广泛采用。写需要对存储器和两部分进行操作。块中相应的部分，不能够多修改。而“读”则可以多读出几个字节也没关系。可能导致它们内容的不一致。显然，为了保证正确性，主存的内容也必须更新。何时更新主存，是写策略所要解决的问题。写策略是区分不同设计方案的一个重要标志。写策略主要有写直达法和写回法两种。写直达法该法也称为存直达法。在执行“写”操作时，不仅把信息写入中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。问题：写直达法在进行“写”操作的过程中必须等待，直到“写”操作结束，称为常用的优化技术：写缓冲器。一旦把数据写入该缓冲器，就可以继续执行，使下一级存储器的更新和的执行重叠起来。主存。为了减少在替换时块的写回，为在中的每一块设置一个“污染位”，用于指出净的，则不必写回下一级存储器。只有被修改过的块写回。个写只需最后一次写回下一级存储器。有些写只能到达，不能到达主存，所使用存储写访问失效时的内存分配。当发生写失效时，是否调入相应的块，有两种选择：写失效时，先把所写单元所在的块调入方法也称为写时取法。写回法一般采用按写分配法（这样以后对那个块的“写”就能被捕获）。写直达法一般采用不按写分配法（因为以后对那个块的“写”仍然还要到达下一级存储直接相连映象；采用写直达方式，写缓冲器的大小为个块，并且在写失效时不按写分配。四选一的多路选择器：数据为个字节宽；索引加上块内偏移量的高两位作为的地址，就选取了相应的个字节，多路选择器仅仅是块内偏移量高两位的译码示意。第一步：地址的分割。中（是否命中索引的位数由容量、块大小、相联度决定。的是直接映象的，所以相联度为，索引所需的位数满足：8第二步：按索引选择标识和数据。在直接映象的中，读出数据并送往与读出标识并进行匹配这两个过程可以并行进行。第三步：标识比较。标识从中读出来后，就去和送来的物理地址中的标识部分进行比较。为了保如果标识比较的结果是匹配，且有效位为“”，那么最后一步就是发信号通知从其它说明：完成这步骤需要个时钟周期；在这两个周期中间。指令需要用到本次“读”的结果，这条指令就只好等待。写命中：前三步跟上面是一样的。在确认标识比较为匹配之后，才把数据写入。因为使用写直达，所以到此写过程还未结束，还应将数据送往写缓冲器。的写缓冲器有四块，每块大小为个字，缓冲器是按字寻址的（中每个字写缓冲器为空，就把数据和完整的地址写入缓冲器。对而言，本次“写”访问已完成，可以继续工作，而写缓冲器将负责把该数据写入主存。把新数据与该块合并。这叫写合并。没有这种优化措施，按顺序地址连续“写”次，就可能会填充整个缓冲器。采用写合并，就可以很容易地将这四个字放入缓冲器地同一个块中。个字是否已被占用。有写合并时，这四个字被合并为一项。读失效：向发出一个暂停信号，通知它等待；从下一级存储器中读入字和它的下一级存储器之间的数据通路（微处理器总线的数据通道）为字节(要个时钟周期。的数据是直接映象，所以被替换只有味着更新该块的数据、标识和有效位。写失效：采用不按写分配规则，也就是说将数据“绕过”，直接写入图说明了有写合并和没有写合并的情况下，写缓冲器的使用情况。指令数据混合（称为统一或混合来同时提供数据和指令，但它有可能会称为瓶颈。例如，当按流水方式工作的处理器执行或指令时，可能会分离的：将单一的分为两个，一个专门存放指令，另一个专门存放效率比数据的低；消除了因中的指令块和数据块互相冲突而引起的失效。表列出了不同容量的指令、数据以及混合在相同条件下的性能分析一种更好的评价存储系统性能的指标是平均访存时间：平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销并不能代替程序执行时间。但可以用这个公式比较分离和混合的性能。执行一个程序所需的时间与的性能密切相关。存储器停顿时钟周期数“读”的次数读失效率读失效开销＋“写”的次数写失效率写失效开销或存储器停顿时钟周期数访存次数失效率失效开销失效对一个较小而时钟频率较高的来说，影响是双重的：因此对于低、高时钟频率的来说更加重要，而且在评价这类机器的性能时，尽可能地减少平均访问时间是一个合理的目标，而且在本章许多地方我们也是使用平均访问时间这个指标的，但请记住，我们的最终目标是减少的执行时间。平均访存时间＝命中时间＋失效率×失