计算机组成原理 复习笔记

Ch.1 Intro

• 区分 CPI 和 MIPS 计算
  • CPI: cycles per instructions
  • MIPS: million instructions per second
• 几个概念区分：响应时间、性价比、吞吐率
• Amdahl 定律

  • 假设原来在一个系统中执行一个程序需要时间 $T_{old}$，其中某一个部分占的时间百分比为 $\alpha$，然后，把这一部分的性能提升 $k$ 倍。即这一部分原来需要的时间为 $\alpha T_{old}$，现在需要的时间变为 $(\alpha T_{old})/k$。则整个系统执行此程序需要的时间变为：

    $$T_{new}=(1-\alpha )T_{old}+\frac{(\alpha T_{old})}{k}$$

  • 故可得，系统性能提速的倍数为:

    $$S=\frac{T_{old}}{T_{new}}=\frac{1}{(1-\alpha )+\alpha /k}$$

Ch.2 Machine Level Representation of Data

• 补码 two's complement
• IEEE 754 浮点数标准 - 32 位单精度 float | 64 位双精度 double
  • （规格化）浮点数的表示范围
  • 特殊的浮点数
• 大小端排列 big / little endian
• 数据校验
  • 校验基本原理
    • 校验位 | 故障字
    • 码距：各码字间的最小距离
      • d=1,3 - 发现 d-1 位错，纠正 (d-1)/2 位错
      • d=2,4 - 发现 d/2 位错，纠正 d/2-1 位错
  • 奇偶校验码
    • 码距 d=2
    • 只能发现奇数位错误（一字节通常错一位）
  • ❗ 海明码 Hamming code
  • n 位数据，k 位校验位： $2^k\ge 1+n+k$
    • 码距 d=3（每个数据位至少参与两组奇偶效验位生成）
  • “纠一检二”码 SEC-DED
    • 码距 d=4（增加一位校验位，使每个数据位参与三个校验位生成）

Ch.3 Data Operation

• 补码溢出
  • 零标志 ZF - zero
  • 符号标志 SF - sign
  • 溢出标志 OF - overflow（带符号有效）
  • 进位 / 借位 CF - carry （无符号有效）
• 浮点数运算舍入
  • 1. 对阶 2. 尾数加减 3. 尾数规格化 4. 尾数舍入
  • 保护位 guard | 舍入位 round | 粘位 sticky

Ch.4 Instruction Set

• 寄存器传送语言 RTL
• 带符号扩展 / 零扩展 SEXT / ZEXT - sign / zero extension
• 6 种指令格式 R | I | S | B | U | J
• 过程调用约定
  • 调用过程 P / 被调用过程 Q caller P / callee Q
    • P 存放入口参数和返回地址
    • Q 存放返回结果（以及非静态局部变量）
  • ❗ 寄存器使用约定
    • x0 (zero) - 硬编码 0
    • x1 (ra) - 返回地址
    • x2 (sp) - 栈指针
    • x10~x11 (a0~a1) 入口参数 / 返回值
    • x12~x17 (a2~a7) 入口参数
    • x8 (s0/fp) 保存寄存器 / 帧指针
    • x9 (s1) 保存寄存器
    • x18~x27 (s2~s11) 保存寄存器（保存到栈）
    • (t0~t6) 临时寄存器
  • 每个过程有自己的栈区——栈帧 stack frame
  • 用户栈的状态变化示例

Ch.5 CPU Design

• 流水线处理器
  • 插入“空”功能段对齐流水线
  • 提高的是整个程序指令执行的吞吐率，而非单条指令执行速度
  • ❗ 流水线冒险
    • 结构冒险 structural hazards - 同一部件被不同指令同时使用
      • 寄存器访问冲突：独立读口 / 写口 Rwr / Rrd
      • 存储器访问冲突：拆分指令存储器 / 数据存储器 IM / DM
    • 数据冒险 data hazards - 后面的指令要用前面指令的结构
      • 写后读数据冒险 read after write, RAW
        • 插入空操作指令
        • 插入气泡
        • 转发技术 - 中间数直接传给后面的指令
        • 特例：Load-use 数据冒险
          • 在 lw 指令后跟 R / I 型运算类指令
          • 只能编译优化 / 插入 nop
    • 控制冒险 control hazards - 由分支指令引起的流水线阻塞
      • 延迟损失时间片 C
      • 简单预测（总是不转移）/ 动态预测
    • 流水线周期图分析
      • 出现 Load-use 数据冒险，下一条流水线延后两周期（额外阻塞一周期）
        • stall=1（ID/EX 寄存器所有控制信号清零）
        • IF/ID.write=0（暂停 IF/ID 寄存器写，Load后一指令继续保存）
        • PCwrite=0（PC值不更新）
      • 若采用静态预测，出现控制冒险，下一条流水线延后一周期
        • PCwrite=1（更新PC）
        • IF/ID.flush=1（清除预取的错误指令）
        • ID/EX.flush=1（同上）

Ch.6 Memory

• 高速缓存 cache
  • 局部性原理
  • 信息交换单位——主存块 / cache 行
    • cache 有效位，确认信息是否有效
    • cache 对程序员是透明的
  • 块映射到 cache 行
    • 直接映射 主存块与 cache 行“多对一”严格对应
      • cache 行号 = 主存块号 mod cache 行数
      • 若 cache $2^c$ 行，主存 $2^m$ 块，则取 $m$ 位主存块号中后 $c$ 位作为 cache 行号
      • 标记 tag
        • 长度 $t=m-c$
        • 即块号高 $t$ 位设置为标记
    • 全相联映射 块可装入任意 cache 行，无行索引
    • 组相联映射 cache 行被划分为 $2^q$ 组，组间直接映射，组内全映射
      • cache 组号 = 主存块号 mod cache 组数
    • 关联度 vs. 命中率 | 命中时间 | 标记所占额外开销
  • 块的替换算法
    • 先进先出 FIFO（缺失率高）
    • 最近最少使用 LRU
      • 计数器（LRU 位）记录主存块的使用情况
      • 可能出现抖动 thrashing
  • cache 一致性问题（写操作）
    • 通写法 write through “同步更新”
    • 回写法 write back “异步更新”（即某行中的主存块被替换时再写回主存）
      • 需设置修改位 dirty bit
        • =0 未修改过，无需写回
        • =1 修改过，需写回
• 虚拟地址空间
  • 每个进程有独立的虚拟地址空间
  • 主存作为外存的缓存
  • 交换单位为页 virtual page, VP
  • 全相联映射，以提高命中率（缺页处理慢）
  • 回写法（外存访问慢
  • 页表描述虚拟页对应的主存页框号 / 磁盘存储位置
  • 快表 TLB
    • 保存在高速缓存中
    • TLB 标记字段 + 页表项内容（tag 原理同 cache）
    • TLB 满，通常采用随机替换
  • 一个典型的 CPU 访存过程
    • 三种 miss 情况：TLB 缺失 → cache 缺失 → 缺页
• ❗ cache hit / miss rate 计算