【文章內容簡介】 它優(yōu)先的處理權和資源使用權，以獲得全局的最優(yōu)結果。1Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。系統(tǒng)加速比 =總執(zhí)行時間（改進前）/總執(zhí)行時間（改進后）= ……1Amdahl定律推論：如果僅僅對計算機中的一部分做性能改進，則改進越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。如果只針對整個任務的一部分進行優(yōu)化，那么多獲得的加速比不大于1 /（1可改進比例）。1cpu性能：Cpu時間 =總時鐘周期數 /時鐘頻率 Cpi =總時鐘周期數 / ic（cpi：平均每條指令的時鐘周期數；ic：執(zhí)行過程當中的指令條數。）Cpu性能公式：總cpu時間 = cpi ic /時鐘頻率 其中：cpi反映了計算機實現技術、計算機指令集的結構和計算機組織；Ic反映了計算機指令集的結構和編程技術；時鐘頻率：反映了計算機實現技術，生產工藝和計算機組織。并行性：是指在同一時刻或是同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同工作。第二章根據cpu內部存儲單元類型對指令集結構進行分類，一般可分為堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構和通用寄存器型指令集結構。通用寄存器型指令集機進一步細分為3種類型： 寄存器寄存器型（RR）、寄存器存儲器型（RM）、存儲器寄存器型。尋址方式：（1）寄存器尋址：例：ADD R4, R3 含義：Regs[R4]Regs[R4]+Regs[R3]（2）立即值尋址：例：ADD R4,＃3含義：Regs[R4]Regs[R4]+3（3）偏移尋址：例：ADD R4, 100(R1)含義：Regs[R4]+Mem[100+Regs[R1]]（4）寄存器間接尋址：例：ADD R4, (R1)含義：Regs[R4]Regs[R4]+Mem[Regs[R1]]（5）索引尋址：例：ADD R3, (R1+R2)含義：Regs[R3]Regs[R3]+Mem[Regs[R1]+Regs[R2]]（6）直接尋址或絕對尋址：例：ADD R1, (1001)含義：Regs[R1]Regs[R1]+Mem[1001]（7）存儲器間接尋址：例：ADD R1,a(R3)含義：Regs[R1]Regs[R1]+Mem[Mem[Regs[R3]]]（8）自增尋址：例：ADD R1, (R2)+含義：Regs[R1]Regs[R1]+Mem[Regs（9）自減尋址（10）縮放尋址指令集結構的功能設計： 指令集結構中操作的分類 操作類型 實例（1）算術與邏輯運算 整數的算術和邏輯運算：加、減、與、或等（2）數據傳輸 LOAD/STORE（3）控制 分支、跳轉、過程調用和返回、自陷等（4）系統(tǒng) 操作系統(tǒng)調用、虛擬存儲器管理。（5）浮點 浮點加、減等操作（6）十進制 十進制加、十進制乘、十進制到字符的轉換（7）字符串 字符串移動、比較（8）圖形 像素操作，壓縮操作復雜指令機（CISC）：是指強化指令功能，實現軟件功能向硬件功能轉移，基于這種指令集結構而設計實現的計算機系統(tǒng)。CISC指令集存在的缺點：（1） 在這種指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2） CISC指令集結構的復雜性帶來了計算機體系結構的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3） CISC指令集結構的復雜性給VLSI設計帶來了很大負擔，不利于單片集成。（4） 在CISC指令集結構中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。（5） 在CISC指令集結構中，由于各條指令功能的不均衡，不利于采用先進的計算機體系結構技術（如流水技術）來提高系統(tǒng)的性能。20世紀80年代發(fā)展起來的精簡指令集計算機：其目的是盡可能地降低指令集結構的復雜性，以達到簡化實現，提高性能的目的，也是當今指令集結構功能設計的一個主要趨勢。其設計時遵循的原則：（1） 選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令。（2） 每條指令的功能盡可能簡單，并在一個機器周期內完成。（3） 所有指令長度均相同。（4） 只有LOAD和STORE操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行。（5） 以簡單有效的方式支持高級語言。操作數類型：整數（定點）、浮點、十進制、字符、字符串、向量、堆棧等。操作數類型的表示有兩種方法：（1）由操作碼的編碼指定。（2）數據可以附上由硬件解釋的標記，由這些標記指定操作數的類型，從而選擇適當運算。操作數類型大小有：字節(jié)（8）、半字（16b）、單字（32b）、雙字（64b）第三章流水線技術：是指將一個重復的時序過程，分解為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執(zhí)行。流水線分類：（1）按功能的多少來分：單功能流水線、多功能流水線；（2）按同一時間內各段之間的連接方式來分：靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線（3）按流水線的級別來分：部件級流水線（運算操作流水線）、處理機級流水線（指令流水線）、處理機間流水線（宏流水線）（4）按各個流水段之間是否有反饋回路來分：線性流水線、非線性流水線（5）按數據表示分：標量流水處理機、向量流水處理機先行控制器處理機結構：包括三個獨立的控制器和四個緩沖棧。其中三個控制器為：存儲控制器、指令控制器、運算控制器。四個緩沖棧：先行指令緩沖棧、線性讀數緩沖棧、現行操作棧，后行寫數棧。吞吐率：是指單位時間內流水線所完成的任務數或輸出結果的數量。TP = n / Tk實際吞吐率小于最大吞吐率 Tk = (k+n1)△t加速比：是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比（s）；效率：是指流水線的設備利用率（E）。若流水線各段的時間相等：吞吐率：TP=n/(k+n1)△t TPmax=1/△t若各段執(zhí)行時間不相等時，完成幾個任務：TP=n /(∑ti + (n1)max(△t1,△t2…△tk)加速比和使用效率的關系： E = s/m或 S = mE效率和吞吐率的關系： E = TP△t0或 TP = E/△t 1效率：E = n個任務占用的時空區(qū) / k個流水段的總的時空區(qū) = T0 / K?Tk E = n/(k+n1) S = k?n /(k+n1) TP = n / (k+n1)△t1單功能流水棧：是指只能完成一種固定功能的流水棧。1多功能流水棧：流水棧的各段通過不同連接實現不同功能。1非線性流水線調度：任務時要找出一個最小的循環(huán)周期，按照個周期向流水線輸入新任務，流水線的各個功能段都不會發(fā)生沖突，而且流水線的吞吐率和效率最高。1非線性流水線：某些流水段之間有反饋回路或前饋回路。1啟動距離：連續(xù)輸入連個任務之間的時間間隔。1流水線沖突：幾個任務爭用同一個流水段。1禁止向量：預約表中每一行任意兩個“x”之間距離的集合。1沖突向量：C = (Cm?Cm1?…?C2?C1)其中m時禁止向量中的最大值數據相關：在執(zhí)行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數、變量等是前面指令的執(zhí)行結果，這種相關稱為數據相關。2控制相關：由條件分支指令、轉子程序指令、中斷等引起的相關。2三種數據相關：限度后寫相關、先寫后讀相關、寫寫相關。第四章指令級并行：當指令之間不存在相關時，它們在流水線中時可以重疊起來并行執(zhí)行的，這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。在開發(fā)循環(huán)級并行的各種技術中，最基本的技術有：指令調度技術、循環(huán)展開技術和換名技術。第五章（存儲系統(tǒng)）存儲系統(tǒng)定義：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟件與硬件相結合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲器系統(tǒng)對應用程序員時透明的，并且，以應用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。存儲系統(tǒng)分為兩類：（1）Cache存儲系統(tǒng)：由Cache與主存儲器構成，目的是提高存儲器速度。（2）虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構成，目的是擴大存儲器容量。存儲系統(tǒng)的價格： C =（C1S1+C2S2）/（S1+S2）存儲系統(tǒng)的速度：表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等。命中率定義：在M1存儲器中訪問到的概率u = N1 / (N1+N2) N1是對存儲器M1的訪問次數，N2是對M2存儲器的訪問次數。訪問效率： T1 1 e = T1/T = = = f（u, T2/T1） u?T1+(1u)T2 u+(1u)?T2/T1采用預取技術提高命中率.（方法） 不命中時，把M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數據塊取出來送入M1存儲器中. u′= (u+n1) / n 其中u′是采用預取技術之后的命中率；u是原來的命中率； n為數據塊大小與數據重復使用次數的乘積。加速內部地址變換方法：（1）目錄表：用一個小容量高速存儲器存放頁表；（2）快慢表：快表、慢表構成一個兩級存儲系統(tǒng)；（3）散列函數：把相聯訪問變成接地址訪問。頁面替換算法：（1）隨機算法（RAND）；（2）先進先出算法（FIFO）；(3)近期最少使用算法（LFV）；（4）最久沒有使用算法（LRV）；（5）最優(yōu)替換算法（OPT）?！邦嶔ぁ爆F象：一個頁面剛被調出主存儲器，又要被調入。1堆棧型替換算法：對任意一個程序的頁地址流作兩次主存頁面數分配，分別分配m個主存頁面和n個主存頁面，并且m≤n。如果在任何時刻t，主存頁面數集合Bt都滿足關系：Bt(m)≤Bt(n)則這類算法成為堆棧型替換算法。1Cache地址映像方法：（1）全相聯映像；（2）直接映像；(3)組相聯映像；（4）位選擇組相聯映像；（5）段相聯映像。1Cache存儲替換算法：（1）輪換法（2）LRV算法（3）比較對法（4）堆棧法。1單處理機的Cache一致性：包括寫直達法：[寫通過法，CPU的數據寫入Cache時，同時頁寫入主存]還有寫回法：[抵觸修改法，CPU的數據只寫入Cache，不寫入主存，僅當替換時才把修改過的Cache塊寫回主存]二者優(yōu)缺點比較：（1） 可靠性：寫直達法優(yōu)于寫回法。（2） 與主存的通訊量，寫回法少于寫直達法。（3） 控制的復雜性，寫直達法比寫回法簡單。（4） 硬件實現的代價，寫回法比寫直達法好。1多處理機的一致性：（1）目錄協議 （2）兼聽協議第六章（輸入/輸出系統(tǒng)）衡量I/O系統(tǒng)的性能指標主要有響應時間和可靠性。磁盤的數據傳輸率分為外部傳輸率和內部傳輸率。外部傳輸率（突發(fā)數據傳輸率）：計算機通過磁盤接口從硬盤的緩存中將數據讀出，發(fā)給相應的控制器的速度。內部傳輸率（持續(xù)傳輸率）：硬盤將數據從盤片上讀取出，交給硬盤上的緩沖存儲器的速度。反映存儲外設可靠性能的參數有可靠性、可用性和可信性。可靠性衡量標準用：平均無故障時間。可用性衡量標準用：平均失效間隔時間。總線：總線時各子系統(tǒng)之間共享的通信鏈路，具有低成本和多樣性這兩個優(yōu)點?？偩€的主要缺點：它必須獨占使用，造成了設備信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。分離事務總線：在有多個設備時，可用通過打包技術來提高總線帶寬，這樣每次I/O操作就不必在整個傳輸過程中都占有總線，其基本思想時將總線事務分成請求和應答兩部分，這樣總線就可以在某個總線事務的請求和應答間的空閑時間間隔內被其它總線事務使用。（又稱流水總線、懸掛總線、包交換總線）1控制外部設備的輸入/輸出方式分為：直接傳送、程序查詢、中斷、DMA、通道方式。1I/O設備的編址方式：（1）存儲器映射I/O或稱為統(tǒng)一編址（2）I/O設備單獨編址1通道：能夠執(zhí)行有限的I/O指令，并且能夠被多臺外圍設備共享的小型的DMA專用處理機。1通道的功能：（1）接受來自CPU的I/O指令，并根據指令要求選擇指定的外圍設備與通道相連接。（2）執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進行譯碼，并根據需要向被選中的設備控制器發(fā)出各種操作命令。（3）為主存和外設裝配和拆卸信息，控制主存和I/O設備傳送數據并提供傳