【面试准备】计算机体系结构

计算机体系结构的层次
0 布尔语言（硬件）——硬联逻辑级
1 微程序指令——微程序级
2 传统机器语言——传统机器级
3 操作系统——操作系统级
4 汇编语言——汇编语言级
5 高级编程语言——高级语言级
6 应用语言——应用语言级
· 系统结构：0级到2级，硬件级、微程序指令级、传统机器语言级
· 软件与理论：3级到5级，操作系统级、汇编语言级、高级语言级
· 应用与技术：6级，应用语言级
第1、2级属于物理机；往上属于虚拟机。
什么是虚拟机？
利用软件和宿主机的硬件，在宿主机上实现另一套计算机系统的指令集，能够模拟另一台计算机在宿主机进行运行。
模拟和仿真
· 模拟：用软件方法在一台机器上实现另一台的指令集。可以在不同系统结构的机器之间相互移植。
· 仿真：用微程序直接解释另一台机器的指令系统。仿真方法速度高但需要更多硬件。
区别在于手段实现的层级不同，模拟在2级之上实现，仿真在1级之上实现。
计算机系统结构、组成、实现的区别
· 计算机系统结构：指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等（抽象，概念性）
比如IBM PC和 RS6000 是具有不同的指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理，所以这两种机器的结构各不相同。
· 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能与各部件之间的联系。
· 计算机实现：计算机组成原理的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度等。着眼于器件技术和微组装技术。
系统结构的主要功能及属性
· 数据寻址（硬件直接识别和处理的数据类型）
· 寻址规则（最小寻址单元、寻址方式）
· 寄存器定义（各种寄存器的定义、数据及使用方式）
· 指令集（指令类型和格式、指令间的排序和控制机构）
· 中断系统（中断类型、中断响应硬件的功能等）
· 机器工作状态的定义和切换
· 存储体系（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）
· 信息保护（信息保护方式、硬件对信息保护的支持）
· IO结构（IO连接方式，处理机、存储器与IO设备间数据传送方式和格式等）
以上功能由硬件和固件完成，了解它们才能编出传统机器级上正确运行的程序。
Flynn分类法、Handler分类法、冯氏分类法
大概率事件优先原理
优先加速使用次数比较多的硬件。对大概率时间赋予优先处理权和资源使用权。
冯·诺依曼体系结构
特点：存储程序，指令按照顺序执行；以运算器为中心；程序和数据均以二进制存储
程序以二进制形式同数据一样存储在存储器中，通过从存储器读取的机器周期不同区分指令和数据。采用二进制进行存储和运算，符合硬件特性。
CPU性能主要取决于：时钟周期时间t、CPI、程序执行的指令条数IC
解决流水线瓶颈的方法：
1 重复设置瓶颈段，多个瓶颈段并行工作。
2 瓶颈再细分，细分为多个流水段（超流水线）。
流水线冲突：数据冲突、结构冲突、控制冲突
控制相关：由分支指令引起，包括（无）条件转移、中断等。
名相关（包括反相关、输出相关）：寄存器换名，通过编译器静态实现或用硬件动态完成。
数据冲突：定向技术（旁路）、停顿、编译器解决（编译器重新组织指令顺序，又称指令调度或流水线调度）
结构冲突：资源不够、功能部件不是完全流水。插入暂停周期；设置相互独立的指令存储器和数据存储器（哈佛结构）。
控制冲突：分支成功、分支失败两种结果。在流水线中尽早判断出分支是否成功；尽早计算出分支目标地址；使用软件减少分支延迟（预测分支失败、预测分支成功、延迟分支）。
预测分支成功对于经典五段流水线没有任何好处。为什么
因为经典五段流水线想要知道转移分支的地址，就已经知道了分支结果。也就是没有办法在分支结果出来之前知晓分支地址。
延迟分支
顺序执行延迟槽里的命令。
延迟槽中指令的调度策略包括：从前调度、从目标处调度、从失败处调度
MIPS五段流水线
流水寄存器作用：
· 将各段工作隔开，使他们不会相互干扰
· 保存相应段的处理结果
· 向后传递要用的数据或控制信息
从两个方面解决相关问题：
1 保持相关，但避免发生冲突。如指令调度
2 通过代码变换，消除相关。如寄存器重命名
保持异常行为，不改变数据流，做到这两点就能不遵守控制相关，进行指令调度。
动态调度流水线
策略：乱序执行，乱序完成；
目标：尽早执行没有结构冲突和数据冲突的指令
要求：多个功能部件或者功能部件完全流水化
乱序完成带来新问题：RW冲突和WW冲突；异常处理复杂化。
必须保持正确的异常行为。
WW冲突导致流出阶段停顿；RW冲突导致记分牌在写结果阶段停顿；真相关引起的WR冲突会导致记分牌在读操作数阶段停顿；资源冲突会导致记分牌在流出阶段停顿。
记录的信息：指令状态表、功能部件状态表、结果寄存器状态表
典型动态调度算法：记分牌算法、Tomasulo算法（托马苏洛？）
记分牌算法相关：
ID译码段分为：流出和读操作数两个过程
EX指令执行过程分为：流出、读操作数、执行、写结果
通过记分牌控制，避免了WW、WR、RW冲突及结构冲突。
介绍一下记分牌算法
记分牌算法是一种并行指令的动态调度算法，依据乱序执行乱序完成的策略，对指令的运行情况和资源需求进行标记，尽早执行没有结构冲突的和数据冲突的指令。可以有效消除
Tomasulo算法
基本思想：①记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把RAW写后读冲突的可能性减小到最少；②通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。
主要优点：冲突检测是随机的；消除了WAW和WAR冲突导致的停顿。
互联网络三要素：开关元件、互联结构、控制方式
互联网络的特性参数：网络规模、结点度、结点距离、网络直径、等分宽度、对称性
评估互联网络性能的两个基本指标：时延和带宽
消息传递方式分为：线路交换和分组交换
根据Flynn分类法进行分类并进行列举例子
1 SISD：单指令流单数据流、最基本的计算机、传统顺序处理计算机
2 SIMD：单指令流多数据流、并行处理机、阵列处理机
3 MISD：多指令流单数据流、流水线处理机（又认为不存在有认为流水线结构计算机属于）
4 MIMD：多指令流多数据流、多处理机、最灵活性能强
举例MIMD结构处理机：
并行向量多处理机、大规模并行多处理机、集中式共享存储器多处理机、分布式存储器多处理机、分布式共享存储器系统、机群多处理机
阵列处理机
一个控制部件CU控制多个处理单元PE
基本结构：分布式存储器的阵列机、共享存储器的阵列机
分布式与共享式处理机结构特点
结构：
1 处理机-处理机结构与处理机-存储器结构
2 私有存储器和共享存储器
3 分布式方案中，PE需要由私有存储器提供数据
通讯：
1 共享内存方案：互联网络是PE间通讯的必由之路。分布式方案：给处理单元间通讯可通过控制存储器完成。
2 共享存储器模块个数可变、不多。存在数据分配、划分问题。通常处理器直接由计算机担任。分布式方案更适应大规模并行电路的发展方向。有较大发展潜力。
简述阵列处理机的特点：
以单指令流多数据流方式工作，通过设置多个相同的处理单元来开发并行性。
利用并行性中的同时性，所有处理单元同时对不同的数据进行相同的操作。
以某一类算法为背景的专用处理机。

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