计算机体系结构知识点
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。
如果您正在学习计算机体系结构，可以按照本文的知识点进行扩展学习。
计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想：二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术：CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法：统一换算成十进制，在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换：当前位数的值*（1/(进制^位数)）3.二进制码表示1)原码：表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码：正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码：正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码：根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC：多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码：有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理b)组成：i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）iii.状态字寄存器PSW：表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用：取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期：振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作b)机器周期：完成一项基本操作的时间c)指令周期：完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂，指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址：操作数包含在指令中b)直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址：指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加，形成操作数有效地址；基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址：程序计数器PC +1b)跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址方式，它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况5)CPI：每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF：Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR：多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。
计算机四大基础知识点总结
计算机四大基础知识点总结计算机是现代社会不可或缺的一部分，它已经深入到我们的生活中的方方面面。
无论是工作、学习还是娱乐，我们都需要计算机来帮助我们处理数据、提高效率。
而要深入理解计算机，首先需要掌握计算机的四大基础知识点，包括计算机组织与体系结构、操作系统、数据结构与算法，以及编程语言。
一、计算机组织与体系结构1. 计算机的基本组成计算机主要由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备组成。
CPU是计算机的“大脑”，它负责执行指令、控制数据流通。
RAM是计算机的临时存储区域，用来存储数据和程序。
输入设备是用来输入数据和指令的设备，比如键盘、鼠标等。
输出设备是用来展示计算结果的设备，比如显示器、打印机等。
存储设备是用来长期存储数据和程序的设备，比如硬盘、光盘等。
2. 计算机的体系结构计算机的体系结构包括指令系统、总线结构、存储系统和输入/输出系统。
指令系统是CPU执行指令的集合，包括指令格式、寻址方式和指令执行的时序规定。
总线结构用于连接 CPU、内存和输入/输出设备，传输数据和指令。
存储系统包括RAM和存储设备，用来存储数据和程序。
输入/输出系统负责将数据从输入设备传输到存储设备或输出设备，以及从存储设备传输到输出设备。
3. 计算机的工作原理计算机工作的基本原理可以概括为：输入、处理、输出和存储。
首先，计算机通过输入设备接收数据和指令。
然后，CPU根据指令执行相应的运算和逻辑操作，得到结果。
最后，计算机将结果通过输出设备展示给用户，同时也会将数据和程序存储在存储设备里。
4. 计算机的性能指标计算机的性能指标包括速度、存储容量和可靠性。
速度是指计算机执行任务的快慢，通常用处理器的主频来表示。
存储容量是指计算机能够存储数据和程序的大小，通常用RAM和硬盘容量来表示。
可靠性是指计算机运行稳定性和故障率，通常用故障率和平均时间故障间隔来表示。
二、操作系统1. 操作系统的功能操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机的硬件资源和提供用户与计算机的接口。
大学计算机导论大一知识点
大学计算机导论大一知识点计算机导论是大学计算机科学与技术专业的基础课程，旨在为学生提供计算机科学的概览性知识。
在大一阶段，学生将学习一些基本的计算机概念和技术，为后续更深入的学习打下基础。
以下是大学计算机导论中涵盖的一些重要知识点：一、计算机体系结构和组成1. 计算机硬件的基本组成：中央处理器（CPU）、内存（RAM）、输入设备、输出设备等。
2. 冯·诺伊曼体系结构：包括存储程序、以及指令和数据存储在同一存储器中。
3. 运算器、控制器和存储器的功能及相互协作原理。
4. 计算机的层次结构：硬件层、操作系统层、应用软件层。
二、计算机中的数据表示和处理1. 二进制和十进制的转换，以及在计算机中的表示方法。
2. 计算机中的整数表示：原码、反码、补码。
3. 浮点数的表示和浮点运算：尾数、阶码和符号位的含义，浮点数运算的规则和误差。
4. 逻辑运算和位操作：与、或、非、异或等逻辑运算，移位和旋转等位操作。
三、计算机网络和通信1. 计算机网络的基本概念和组成：服务器、路由器、交换机等网络设备的功能和作用。
2. 网络协议的基本原理和常见协议：TCP/IP协议族、HTTP协议、DNS协议等。
3. 局域网（LAN）和广域网（WAN）的区别和应用。
4. 互联网的发展和应用：Web、电子邮件、即时通信等。
四、操作系统和系统软件1. 操作系统的概念和作用：资源管理、进程管理、文件管理等。
2. 多道程序设计和时间片轮转调度算法：进程的概念、进程调度的原理和策略。
3. 内存管理技术：分区存储管理、页式存储管理、虚拟内存等。
4. 文件系统的组织和管理：文件的基本操作、目录管理、文件共享与保护等。
五、算法和数据结构1. 算法的基本概念和特性：输入、输出、确定性、可行性等。
2. 常见的算法设计方法：穷举法、递归法、分治法、贪心法、动态规划法等。
3. 常用的数据结构：数组、链表、栈、队列、树、图等。
4. 常见的算法和数据结构应用：排序、查找、图的遍历、最短路径算法等。
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、计算机的性能指标。
1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
计算机体系结构知识点
第一章计算机体系结构得基本概念1 计算机系统结构得经典定义程序员所瞧到得计算机属性，即概念性结构与功能特性。
2 透明性在计算机技术中，把这种本来存在得事物或属性，但从某种角度瞧又好像不存在得概念称为透明性。
3 系列机由同一厂家生产得具有相同系统结构、但具有不同组成与实现得一系列不同型号得计算机。
4 常见得计算机系统结构分类法有两种：Flynn 分类法、冯氏分类法Flynn 分类法把计算机系统得结构分为4 类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)5 改进后程序得总执行时间系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比6CPI(Cycles Per Instruction ):每条指令执行得平均时钟周期数CPI = 执行程序所需得时钟周期数／IC7 存储程序原理得基本点：指令驱动8冯•诺依曼结构得主要特点1 以运算器为中心。
2 在存储器中，指令与数据同等对待。
指令与数据一样可以进行运算，即由指令组成得程序就是可以修改得。
3 存储器就是按地址访问、按顺序线性编址得一维结构，每个单元得位数就是固定得。
4 指令得执行就是顺序得5 指令由操作码与地址码组成。
6 指令与数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。
9 软件得可移植性一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。
差别只就是执行时间得不同。
我们称这两台计算机就是软件兼容得。
实现可移植性得常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。
软件兼容：向上（下）兼容：按某档机器编制得程序，不加修改就能运行于比它高（低）档得机器。
向前（后）兼容：按某个时期投入市场得某种型号机器编制得程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场得机器。
向后兼容就是系列机得根本特征。
兼容机：由不同公司厂家生产得具有相同系统结构得计算机。
10 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。
知识点归纳 计算机架构中的指令集与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构是计算机系统的基本组成和工作原理的体系结构，它包括指令集和存储器层次结构。
指令集是计算机的机器指令集合，用于操作和控制计算机硬件；而存储器层次结构则是计算机系统中处理器和主存之间的一系列存储器层级，用于加快数据访问速度和提高系统性能。
本文将对计算机架构中的指令集与存储器层次结构进行归纳总结。
一、指令集1.1 CISC指令集体系结构CISC（Complex Instruction Set Computer）指令集体系结构为每个操作提供了丰富的指令集，具有指令编码短、程序紧凑的特点。
CISC计算机的指令集设计考虑了高级语言并提供了高级指令，但指令复杂度高，执行速度较慢。
1.2 RISC指令集体系结构RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集体系结构精简了指令集，每个操作都由一条简单、固定长度的指令来实现。
RISC计算机的指令集设计追求指令的简洁性和执行速度，但需要编译器对指令进行优化，使得程序执行更加高效。
1.3 x86指令集x86指令集是当前主流的个人计算机指令集，其结构可以看作是CISC和RISC的混合形式。
x86指令集保留了一部分CISC指令，同时加入了一些RISC特性，以提高指令执行的效率。
二、存储器层次结构2.1 高速缓存（Cache）高速缓存是存储器层次结构中最接近处理器的一级缓存，用于存放处理器频繁访问的数据和指令。
高速缓存分为L1缓存和L2缓存，其中L1缓存位于处理器内部，速度最快，容量较小；L2缓存位于处理器外部，速度较慢，容量较大。
2.2 主存（Main Memory）主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储器，也是计算机存储器层次结构中相对较慢的部分。
主存的存取速度相对较慢，但容量较大。
2.3 辅助存储器辅助存储器用于存储程序和数据的永久性存储，通常采用磁盘、固态硬盘或者磁带等形式。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总一、冯．诺依曼思想体系——计算机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备五部分组成，存储程序，按地址访问、顺序执行。
二、计算机系统的层次结构——微程序级→机器级→操作级→汇编→高级语言。
第二章一、一个定点数由符号位和数值域两部分组成。
按小数点位置不同，定点数有纯小数和纯整数两种表示方法。
二、一个浮点数标准化表示由符号位S、阶码E、尾数M三个域组成。
其中阶码E的值等于指数的真值e加上一个固定偏移值。
三、为了计算机能直接处理十进制形式的数据，采用两种表示形式：⑴字符串形式，主要用在非数值计算的应用领域；⑵压缩的十进制数串形式，用于直接完成十进制数的算术运算。
四、数的真值变成机器码时有四种表示方法：原码表示法，反码表示法，补码表示法，移码表示码。
其中移码主要用于表示浮点数的阶码E，以利于比较两个指数的大小和对阶操作。
五、字符信息属于符号数据，是处理非数值领域的问题。
国际上采用的字符系统是七单位的ASCII码。
六、直接采用西文标准键盘输入汉字，进行处理，并显示打印汉字，是一项重大成就。
为此要解决汉字的输入编码、汉字内码、字膜码等三种不同用途的编码。
七、为运算器构造的简单性，运算方法中算术运算通常采用补码加、减法，原码乘除法或补码乘除法。
为了运算器的高速性和控制的简单性，采用了先行进位、阵列乘除法、流水线等并行技术措施。
八、定点运算器和浮点运算器的结构复杂程度有所不同。
早期微型机中浮点运算器放在CPU芯片外，随着高密度集成电路技术的发展，现已移至CPU内部。
第三章一、存储器分类——主存、辅存、cache二、按介质分类——半导体、磁表面、激光三、按存取方式分类——随机、顺序、半顺序四、多级存储器结构——cache—主存—辅存五、主存技术指标——存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽六、DRAM刷新方式——集中式、分散式七、多模块交叉方式——顺序方式、交驻方式八、相联存储器组成——存储体、检索寄存器、屏蔽寄存器、符合寄存器、比较线路、代码寄存器、控制线路。
高中计算机会考主要知识点
高中计算机会考主要知识点
一、计算机基础
1、计算机的概念
计算机是一种用于记录、处理、存储和输出信息的电子设备，它能够
自动完成各种计算任务，并可以进行编程控制它的操作，实现各种功能，
例如图像处理、多媒体技术、网络通信、网络游戏等。
2、计算机体系结构
计算机由硬件和软件组成，硬件包括中央处理器、存储和输入/输出
设备，存储设备包括主存储器和外存储器，输入/输出设备包括显示器、
键盘、扫描仪、打印机等；而软件则是计算机能够完成工作所需的程序，
操作系统是计算机系统中最重要的软件程序，它负责计算机硬件的管理和
控制，还管理计算机的文件，同时也提供各种计算机应用程序所需的支持。
3、计算机网络
计算机网络是由多台计算机相互链接而形成的系统，它可以实现计算
机发送、接收和共享信息的功能，开展多台计算机之间的通信、共享资源
和协同工作。
计算机网络的形式有局域网、广域网、企业网等，所用到的
网络技术有TCP/IP协议、FTP、HTTP、ARP、DNS、SMTP、POP3、SSL等，
而网络的基本特性是可靠性、可扩展性、安全性和可移植性。
二、程序设计。
冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构前⾔：该知识点很⽼，但是参加⼯作很久以后才发现，很多想不通的问题，都是因为没有想起这个基本体系结构的原因。
⼀、计算机系统语⾔⼆、冯·诺依曼理论的要点： （1）存储程序。
（2）顺序执⾏。
（3）采⽤⼆进制。
三、冯·诺依曼计算机组成部分（五⼤部分） （1）运算器 （2）控制器 （3）存储器 （4）输出设备 （5）输⼊设备四、冯·诺依曼体系结构有以下特点： （1）计算机处理的数据和指令⼀律⽤⼆进制数表⽰。
（2）指令和数据不佳区别混合存储在同⼀个存储器中（硬盘） （3）顺序执⾏程序的每⼀条指令。
(重点是“顺序”)五、冯·诺依曼体系结构的计算机必须具备如下功能： （1）把需要的程序和数据送⾄计算机中（复制） （2）必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能⼒（硬盘） （3）能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加⼯处理的能⼒（ALU） （4）能够根据需要控制程序的⾛向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。
（5）能够按照要求将处理的结果输出给⽤户。
六、冯·诺依曼体系⼯作原理（CPU⼯作原理） 程序的执⾏过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执⾏指令的过程。
冯·诺依曼型计算机从本质上讲是采⽤串⾏顺序处理的⼯作机制，即使有关数据已经准备好了，也必须逐条执⾏指令序列，如下图所⽰：具体过程： （1）预先把指挥计算机如何进⾏操作的指令序列（就是程序）和原始数据输⼊到计算机内存中（拷贝），每条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进⾏什么操作，然后送到什么地⽅去等步骤。
（2）计算机在执⾏时，先从内存中取出第⼀条指令，通过控制器的译码器接收指令的要求，再从存储器中取出数据进⾏指定的运算和逻辑操作等，然后再按地址把结果送到内存中，如果需要向硬盘等存储设备存储数据，还需要将内存中的该数据存储到硬盘中。
接下来取出第2条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依次进⾏下去，直到遇到停⽌指令。
ComputerArchitecture计算机系统结构知识点详解
ComputerArchitecture计算机系统结构知识点详解Computer Architecture计算机系统结构1. Fundamentals of Computer Architecture 计算机系统结构的基本原理1.1 Layers of Computer System计算机的层次Application Language Machine M5 应⽤语⾔机High-Level Language Machine M4 ⾼级语⾔机Assembly Language Machine M3 汇编语⾔机Operating System Machine M2 操作系统机Conventional Machine M1 传统机Microprogram Machine M0 微程序机1. 每个层次执⾏相关的功能⼦集。
2. 每个层次要依赖于下⼀个低层去执⾏更原始的功能。
3. 这就将问题分解成更易处理的⼦问题。
4. 从M2到M5的层次是虚拟机。
5. 在传统机上的指令（算数、逻辑等）由微程序级的程序实现。
该程序是作为⼀个解释器，能理解⼀组简单的操作集合，称为微指令集。
1.2 Computer Architecture and Implementation计算机的系统结构和实现Computer Architecture 计算机系统结构Refers to those attributes of a system visible to a programmer, or those attributes have direct impact on logical execution of program.程序员可见，或者对程序执⾏有直接影响的属性Implementation 实现Two components: Organization and hardware. 两个组件:组织和硬件1. Organization(组织): includes high-level aspects of a computer’s design, such as: memory system, bus structure, internal CPU. 组织(组织):包括⾼级⽅⾯的计算机的设计,如:内存系统,总线结构、内部CPU。
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需的时间，这段就成了流水线的瓶颈。
◆ 消除瓶颈的方法
(举例) (时-空图)
细分瓶颈段 重复设置瓶颈段
14
15
重复设置瓶颈段(时-空图举例)
16
3.2 DLX的基本流水线
(2) 实际吞吐率TP 流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率。
◆ 第一种情况：各段时间相等（设为△t0）
假设流水线由 m 段组成，完成 n 个任务。
5
1.5 定量分析技术基础
3. 程序的局部性原理
程序在执行时所访问地址的分布不是随机
的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数
据两部分。
◆ 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。
应用：存储相关设计上
48
16 KB
32 KB 64 KB 128 KB
0.64%
0.39% 0.15% 0.02%
(3) 分离Cache平均失效率的计算：
访问指令Cache的百分比×指令Cache的失效率
＋访问数据Cache的百分比×数据Cache的失效率
5.2.6 Cache性能分析
1. 失效率
2. 平均访问时间 平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销
6
1.5 定量分析技术基础
1.5.4 CPU的性能
1. 将程序执行的时间进行分解
(1) 计算机工作的时钟频率 计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。 单位是MHz(f)。 (2) 总时钟周期数 程序执行的cpu时间 : CPU时间 = 总时钟周期数 / 时钟频率
7
1.5 定量分析技术基础
2. “指令时钟数”CPI(Cycles Per Instruction)
45
46
5.2 Cache 基本知识
5. 混合Cache与分离Cache
(1) 优缺点
(2) 失效率的比较
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失效率的比较
容 量 1 KB 2 KB 4 KB 8 KB 指令 Cache 3.06% 2.26% 1.78% 1.10% 数据 Cache 24.61% 20.57% 15.94% 10.19% 6.47% 4.82% 3.77% 2.88% 混合 Cache 13.34% 9.78% 7.24% 4.57% 2.87% 1.99% 1.36% 0.95%
总执行时间改进后=(1-可改进比例)总执行时间改进前 +
可改进比例 总执行时间 改进前 部件加速比
可改进比例 = [ (1-可改进比例) + ]总执行时间改进前 部件加速比
4
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比:
系统加速比 =
总执行时间 改进前 总执行时间 改进后
=
1 (1 可改进比例 ) 可改进比例 部件加速比
37
•
•超长指令字
图示I(绝对值)
38
图示Ⅱ(相对值)
39
可以看出：(用数据说话！） (1) 相联度越高，冲突失效就越少； (2) 强制性失效和容量失效不受相联度的影响；
(3) 强制性失效不受Cache容量的影响，但容
量失效却随着容量的增加而减少； (4) 表中的数据符合2:1的Cache经验规则，即 大小为N 的直接映象Cache的失效率约等于 大小为N/2 的两路组相联Cache的失效率。
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5.2 Cache 基本知识
平均访存时间公式可以分为指令访问和数据 访问两部分： 平均访存时间＝指令所占的百分比× (指令命中时间＋指令失效率×失效开销)＋ 数据所占的百分比× (数据命中时间＋数据失效率×失效开销)
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5.2 Cache 基本知识
计算机体系结构知识点
刘飞 liu.fei.ldu@
1.5 定量分析技术基础
1.5.3 性能设计和评测的基本原则
三条基本原则和方法： 1. 大概率事件优先的原则
对于大概率事件（最常见的事件），赋予
它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的 最优结果。 2. Amdahl定律 加快某部件执行速度所获得的系统性能 加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
(1) 最大吞吐率TPmax
最大吞吐率是指流水线在连续流动达到 稳定状态后所得到的吞吐率。
◆ 若流水线各段的时间相等，均为△t0 ，
则：
TPmax＝ 1 /△t0
13
3.2 DLX的基本流水线
◆ 若流水线各段的时间不等，则：
1 ───── TPmax＝ max{△ti }
◆ 最大吞吐率取决于流水线中最慢的一段所
一个与计算机体系结构有关的参数。
CPI = 总时钟周期数 / IC IC：程序执行过程中所处理的指令数。 3. 程序执行的CPU时间可以写成 总CPU时间 = CPI IC / 时钟频率
8
1.5 定量分析技术基础
4. 对CPU性能公式进行进一步细化
假设：计算机系统有n种指令；
CPIi ：第i种指令的处理时间；
m
0
流水
整个流水线的效率为:
n△t0 n 1 E ＝ ─── ＝ ──── ＝ ───── T流水 m＋n－1 1 1＋ m－ n
当 n >> m 时，E ≈ 1 (3) 从时－空图上看，效率实际上就是 n 个任务所
占的时空区与 m 个段总的时空区之比，即：
E ＝━━━━━━━━━━━━━ m 个段总的时空区
≈
m
效率是指流水线的设备利用率。
(1) 由于流水线有通过时间和排空时间，所以 流水线的各段并不是一直满负荷地工作。 故：E ＜1
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3.2 DLX的基本流水线
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3.2 DLX的基本流水线
(2) 若各段时间相等，则各段的效率ei相等，即 e ＝e ＝e ＝…… ＝e ＝n△t ／T (解释)
1 2 3
基准程序对单字和双字的数据访问具有较高的频率。
◆ 选择操作数字段的长度为32位，可以有效支持8、16、
32位整型操作数，以及32位浮点操作数的表示。
◆ 选择操作数字段长度为64位，则更具有一般性。
3.2 DLX的基本流水线
3.2.3 流水线性能分析
1. 吞吐率 吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任 务数或输出结果的数量。
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5.3 降低Cache 失效率的方法
举例： /* 修改前 */ for (i＝0; i < N; i＝i＋1) for (j＝0; j < N; j＝j＋1) { r＝0; for (k＝0; k < N; k＝k＋1) { r＝r＋y[i][k]*z[k][j]; } x[i][j]＝r; } 计算过程 失效次数：2N3＋N2
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5.3 降低Cache 失效率的方法
/* 修改后 */ struct merge { int val ; int key ; } ; struct merge merged_array[size]; (2) 内外循环交换 举例： /* 修改前 */ for (j＝0 ;j<100 ;j＝j＋1) for (i＝0 ;i<5000 ;i＝i＋1) x[i][j]＝2*x[i][j];
i=1
n
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3.2 DLX的基本流水线
2. 加速比S 加速比是指流水线的速度与等功能非流水 线的速度之比。
S＝T非流水／T流水 （其中T流水和T非流水分别为按流水和按非流水 方式处理 n 个任务所需的时间）
若流水线为 m 段，且各段时间相等，均 为△t0 ，则：
T非流水＝n m△t0 T流水＝m△t0＋(n－1)△t0
2
(1) 加速比
系统加速比 =
系统性能改进后 系统性能改进前
=
总执行时间 改进前 总执行时间 改进后
系统加速比依赖于两个因素： 可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的 比例，它总是小于等于１的。 部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高， 一般情况下它是大于１的 。
3
总执行时间改进后 = 不可改进部分的执行时间 + 可改进部分改进后的执行时间
当n >> m 时，TP ≈TPmax
◆ 第二种情况：各段时间不等
时空图
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3.2 DLX的基本流水线
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3.2 DLX的基本流水线
完成 n 个任务所需的时间
T流水＝∑△ti＋(n－1)△tj
i=1
m
△tj＝max{△ti }
实际吞吐率
TP ＝ ────────── m ∑ △ti＋(n－1)△tj
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5.3 降低Cache 失效率的方法
3. 数据对存储位置的限制比指令的少，因此
更便于优化。 通过把数据重新组织，使得在一块数 据被从Cache替换出去之前，能最大限度 利用其中的数据(访问次数最多) (1) 数组合并 举例： /* 修改前 */ int val [SIZE]; int key [SIZE];
ICi ：在程序中第i种指令出现的次数；
则程序执行时间为 CPU时间 = (CPIi ICi) / 时钟频率
i=1
n
CPI = (CPIi ICi) / IC = (CPIi ICi / IC)
i=1 i=1
n
n
其中：(ICi / IC)反映了第i种指令在程序中所占的 比例。
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5.3 降低Cache 失效率的方法
/* 修改后 */ for (i＝0 ;i<5000 ;i＝i＋1) for (j＝0 ;j< 100 ;j＝j＋1) x[i][j]＝2*x[i][j]; (3) 循环融合 举例： /* 修改前 */ for (i＝0 ; i<N ;i＝i＋1) for (j＝0 ; j<N ; j＝j＋1) a[i][j]＝1/b[i][j]*c[i][j];