【正文】 部件級流水線（運算操作流水線）把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數據類型進行流水操作。處理機間流水線（宏流水線）由兩個以上的處理機串行地對同一數據流進行處理，每個處理機完成一項任務。向量流水處理機具有向量數據表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理的流水處理機。非線性流水線流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。順序流水線流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。亂序流水線流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成（從輸出端流出）。吞吐率在單位時間內流水線所完成的任務數或輸出結果的數量。流水線的瓶頸流水線中最慢的一段。效率流水線的設備利用率。 流水寄存器建立時間在觸發(fā)寫操作的時鐘信號到達之前，寄存器輸入必須保持穩(wěn)定的時間。時鐘偏移開銷流水線中，時鐘到達各流水寄存器的最大差值時間（時鐘到達各流水寄存器的時間不是完全相同）。確定程序中指令之間存在什么樣的相關，對于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。名指指令所訪問的寄存器或存儲器單元的名稱。反相關如果指令j（在后）寫的名與指令i（在前）讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關。輸出相關如果指令j（在后）和指令i（在前）寫相同的名，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關。換名技術通過改變指令中操作數的名來消除名相關。這個過程既可以用編譯器靜態(tài)實現(xiàn)，也可以用硬件動態(tài)完成。它需要根據分支指令的執(zhí)行結果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。結構沖突因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突?？刂茮_突流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。定向技術當流水線中出現(xiàn)數據沖突時，可以將計算結果從其產生的地方直接送到其他指令中需要它的地方，或所有需要它的功能單元，避免暫停。寫后寫沖突（WAW）考慮流水線中的兩條指令i 和j，且i在j之前進入流水線中，j和i的目的寄存器相同，當它們在流水線中重疊執(zhí)行時，j可能在i寫入其計算結果之前就先行對該結果寄存器進行寫操作，從而導致寫入順序錯誤，在目的寄存器中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的值。流水線調度或指令調度當流水線中出現(xiàn)沖突時，編譯器通過重新排列代碼的順序來消除流水線中的暫停，這種技術稱為流水線調度。分支延遲由分支指令引起的延遲。當流水線確定分支轉移成功與否以及分支的目標地址之后，如果分支轉移成功，流水線必須將在分支指令之后取出的所有指令轉化為空操作，并在分支的目標地址處重新取出有效的指令；如果分支轉移失敗，那么可以將分支指令看作是一條普通指令，流水線正常流動，無需將在分支指令之后取出的所有指令轉化為空操作?！把舆t分支”方法其主要思想是從邏輯上“延長”分支指令的執(zhí)行時間。處于分支延遲槽中的指令“掩蓋”了流水線原來必須插入的暫停周期。若向量長度為N，則水平處理方式相當于執(zhí)行N次循環(huán)。垂直(縱向)處理方式將整個向量按相同的運算處理完畢之后，再去執(zhí)行其他運算。分組(縱橫)處理方式把長度為N的向量分為若干組，每組長度為n，組內按縱向方式處理，依次處理各組，組數為「N/n」，適合流水處理。Vi沖突并行工作的各向量指令的源向量或結果向量的Vi有相同的。鏈接技術兩條向量指令出現(xiàn)“寫后讀”相關時，若它們不存在功能部件沖突和向量寄存器(源或目的)沖突，就有可能把它們所用的功能部件頭尾相接，形成一條鏈接流水線，進行流水處理。向量循環(huán)或分段開采技術當向量的長度大于向量寄存器的長度時，就必須把長向量分成固定長度的段，然后循環(huán)分段處理，一次循環(huán)只處理一個向量段。：當向量長度為無窮大時，向量處理機的最高性能，也稱為峰值性能。向量長度臨界值對于某一計算任務而言，向量方式的處理速度優(yōu)于標量串行方式處理速度時所需的最小向量長度。這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。循環(huán)級并行性循環(huán)體中指令之間的并行性。保持異常行為無論怎么改變指令的執(zhí)行順序，都不能改變程序中異常的發(fā)生情況。靜態(tài)調度技術依靠編譯器對代碼進行靜態(tài)調度，以減少相關和沖突。靜態(tài)調度通過把相關的指令拉開距離來減少可能產生的停頓。不精確異常當執(zhí)行指令i導致發(fā)生異常時，處理機的現(xiàn)場（狀態(tài)）與嚴格按程序順序執(zhí)行時指令i的現(xiàn)場不同。Tomasulo算法的核心思想① 記錄和檢測指令相關，操作數一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最少；② 通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。CDB公共數據總線。動態(tài)分支預測技術在程序運行時，根據分支指令過去的表現(xiàn)來預測其將來的行為。動態(tài)分支預測技術的目的有兩個：預測分支是否成功和盡快找到分支目標地址（或指令），從而避免因控制相關而造成流水線停頓。BTB分支目標緩沖器。表格中的每一項至少有兩個字段：① 執(zhí)行過的成功分支指令的地址；② 預測的分支目標地址。只是執(zhí)行指令的結果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB的緩沖器中。ROB再定序緩沖器。多流出技術在每個時鐘周期流出多條指令。在每個時鐘周期流出的指令條數不固定，依代碼的具體情況而定，不過有個上限。超長指令字VLIW技術一種多指令流出技術。超流水線處理機在一個時鐘周期內能夠分時流出多條指令的處理機。它將循環(huán)體展開若干次，將循環(huán)級并行轉化為指令級并行。第5章 存儲層次存儲器的三個主要指標從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標是：容量、速度和價格。各存儲器處在離CPU不同距離的層次上。命中率HCPU在第一級存儲器中找到所需數據的概率。失效開銷CPU向第二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數據塊調入第一級存儲器所需的時間。借助于輔助軟硬件，它與主存構成一個有機的整體，以彌補主存速度的不足。它是在主存外面增加一個容量更大、每位價格更便宜、但速度更慢的存儲器。全相聯(lián)映像當把一個塊從主存調入Cache時，它可以被放置到Cache中的任意一個位置。組相聯(lián)映像當把一個塊從主存調入Cache時，它可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置（Cache被等分為若干組，每組由若干個塊構成）。相聯(lián)度組相聯(lián)映像中每組中的塊數。候選位置一個主存塊可能映像到Cache中的一個或多個Cache塊位置，這些Cache塊位置稱為候選位置。先進先出法(FIFO)選擇最早調入的塊作為被替換的塊。寫直達法在執(zhí)行“寫”操作時，不僅把信息寫入Cache中相應的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應的塊。該塊只有在被替換時，才被寫回主存。不按寫分配法寫失效時，直接寫入下一級存儲器中，而不把相應的塊調入Cache?；旌螩ache將指令和數據放在一個統(tǒng)一的Cache中。容量失效如果程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調入Cache中，則當某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會發(fā)生失效。沖突失效在組相聯(lián)或直接映像Cache中，若太多的塊映像到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。2:1的Cache經驗規(guī)則大小為N的直接映像Cache的失效率約等于大小為N/2的兩路組相聯(lián)Cache的失效率。偽相聯(lián)一種既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率，又能獲得直接映像Cache的命中速度的相聯(lián)辦法。確定這個“另一塊”的一種簡單的方法是將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找“偽相聯(lián)組”中的對應塊。否則，就只好訪問下一級存儲器。Cache預取預取時，只將數據取到Cache中，不放入寄存器。非故障性預取或非綁定預取預取時，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護權限，則不會發(fā)生異常。子塊放置技術把一個Cache塊劃分為若干個小塊，稱為子塊。失效時只從下一級存儲器調入一個子塊。盡早重啟動在請求字沒有到達時，CPU處于等待狀態(tài)。請求字優(yōu)先調塊時，首先向存儲器請求CPU所要的請求字。失效下的命中Cache在失效時仍允許CPU進行其它的命中訪問。物理Cache訪問Cache的索引和標識都是物理地址的一部分。同義或別名虛擬Cache中，操作系統(tǒng)和用戶程序對于同一個物理地址可能采用兩種以上不同形式的虛擬地址來訪問，這些地址稱為同義或別名。CPU發(fā)出訪存請求后，在進行虛實地址轉換的同時，可并行進行標識的讀取。它既能得到虛擬Cache的好處，又能得到物理Cache的優(yōu)點。把主存的寬度增加為原來的若干倍。存儲器的各個體是按字交叉的。體沖突多個請求要訪問同一個體。TLB一個專用的高速緩沖器，用于存放近期經常使用的頁表項，其內容是頁表部分內容的一個副本。存儲外設可靠性能的參數可靠性、可用性和可信性系統(tǒng)可靠性指系統(tǒng)從初始狀態(tài)開始一直提供服務的能力。系統(tǒng)的失效率平均無故障時間MTTF的倒數。系統(tǒng)的可信性指服務的質量，即在多大程度上可以合理地認為服務是可靠的。糾錯方法在系統(tǒng)構建中設計容錯部件，即使出現(xiàn)故障，也可以通過容錯信息保證系統(tǒng)正常工作。RAID0采用數據分塊技術，把數據分布在多個盤上，無冗余信息。每當數據寫入一個磁盤時，也將該數據寫到另一個冗余盤（鏡像盤），形成數據的兩個備份（數據鏡像）。RAID2位交叉式漢明編碼陣列。RAID3位交叉奇偶校驗盤陣列。特點是可以獲得非常高的數據傳輸率。RAID4專用奇偶校驗獨立存取盤陣列。RAID5塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列，是旋轉奇偶校驗獨立存取的陣列。RAID6雙維奇偶校驗獨立存取盤陣列。可容忍雙盤出錯。在請求和應答之間的空閑時間內，總線可以供其他的I/O使用，這樣就不必在整個I/O過程中都獨占總線。I/O總線標準定義如何將設備與計算機進行連接的文檔。字節(jié)多路通道一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設備服務。依次循環(huán)工作。通道每連接一臺高速設備，傳送一個數據塊，傳送完成后，又與另一臺高速設備連接，再傳送一個數據塊。選擇通道適于為多臺高速外圍設備服務。通道流量一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送的最大數據量。虛擬DMA允許DMA設備直接使用虛擬地址，在DMA期間由硬件將虛擬地址映射到物理地址。異步I/O允許多個I/O請求同時處理以最大限度地利用帶寬。這些結點可以是處理器、存儲模塊或其他設備。分組交換把信息分割成許多組（又稱為包），將它們分別送入互連網絡。在分組交換中，結點之間不存在固定連接的物理通路。分散控制方式分散控制方式中，不存在全局的控制器，通信請求的處理和開關的設置由互連網絡分散地進行。動態(tài)拓撲結構根據需要設置互連網絡中的開關，從而對結點之間的連接通路進行重新組合，實現(xiàn)所要求的通信模式。即在互連函數f的作用下，輸入端x連接到輸出端f(x)。循環(huán)互連函數f(x)有時可以采用循環(huán)表示，即：（x0 x1 x2 … xj1）。交換函數實現(xiàn)二進制地址編碼中第k位互反的輸入端與輸出端之間的連接。其函數關系可表示為 即把輸入端的二進制編號循環(huán)左移一位。其互連函數為逆均勻洗牌是均勻洗牌的逆函數。定義為反位序函數將輸入端二進制編號的位序顛倒過來求得相應輸出端的編號。其函數為PM2+i (x) ＝ x＋2i mod N PM2i(x) ＝ x－2i mod N 其中，0≤x≤N－1，0≤i≤n－1，n＝log2N，N為結點數。這種圖由用有向邊或無向邊連接的有限個結點構成。結點度與結點相連接的邊的數目。出度在單向通道的情況下，從結點出來的通道數。網絡直徑網絡中任意兩個結點間最短路徑長度的最大值。結點之間的線長兩個結點之間連線的長度，用米、千米等表示。線性陣列一種一維的線性網絡，其中N個結點用N1個鏈路連成一行。環(huán)用一條附加鏈路將線性陣列的兩個端點連接起來而構成的。它是對稱的，結點度是常數2。帶弦環(huán)在環(huán)的基礎上，給每個結點增加一條或兩條鏈路。全連接網絡一種環(huán)網。循環(huán)移數網絡通過在環(huán)上每個結點到所有與其距離為2的整數冪的結點之間都增加一條附加鏈而構成的。這種循環(huán)移數網絡的結點度為d=2n1，直徑D=n/2。一般說來，一個n立方體由N=2n 個結點組成，它們分布在n維上，每維有兩個結點。它是單級無阻塞置換網絡，帶寬和互連特性最好。各處理器通過大容量的Cache和總線互連，共享一個單獨的物理存儲器。分布式存儲器結構處理器的規(guī)模較大，存儲器分布到各個處理器上，而非采用集中式。通信延遲通信延遲＝發(fā)送開銷＋跨越時間＋傳輸延遲＋接收開銷跨越時間數字信號從發(fā)送方的線路端傳送到接收方的線路端所經過的時間。分布式共享存儲器或可縮放共享存儲器體系結構物理上分離的多個存儲器作為一個邏輯上共享的存儲空間進行編址，如果一個處理器具有訪問權，就可以訪問任何一個其他的局部存儲器。利用load和store指令中的地址隱含地進行數據通信。數據通信要通過處理器間顯式地傳遞消息來完成。共享數據供多個處理器使用的數據。共享數據的復制把多個處理器需要同時讀取的共享數據項的副本放在各自局部Cache中使用。Cache一致性協(xié)議對多個處理器維護Cache一致性的協(xié)議。目錄用一種專用的存儲器所記錄的數據結