基本原理
- 体系结构的发展 成本、价格
- 集成电路成本 = (晶片成本 + 晶片测试成本 + 封装和最终测试成本 ) / 通过最终测试的产品数量 晶片产量 = 晶片成品率 * (1 + 单位面积缺陷 * 晶片面积 / alpha ) ^ -alpha
- 加快经常性事件的速度 Amdahl定律： 总加速比 = 原来执行时间/新的执行时间 = 1/( (1-增强部分比例)+增强部分比例/增强部分加速比 ) CPU性能公式
- CPI：每条指令执行所需要的时钟周期数。CPI = 一个程序的CPU时钟周期数 / 该程序的指令数IC CPU时间 = 一个程序的CPU时钟周期数 * 时钟周期长度 = 指令数IC * 每指令时钟周期数CPI * 时钟周期的长度 MIPS = 指令数 / (指令的执行时间 * 1M) = 时钟频率 / (CPI * 1M)
- 程序经常会重复使用它最近使用过的指令和数据。经验规律指出程序有90%的执行时间执行的是其10%的代码。
指令集原理
1. 指令集系统结构分类
- 堆栈系统结构
- 累加器系统结构
- 通用寄存器系统结构
- 寄存器-寄存器结构：简单、定长的指令编码，简单的代码生成模式，每条指令运行所需的时钟周期相近。一个程序的指令数量比可以直接访问存储器的系统结构多；指令多、指令密度低使程序变大
- 寄存器-存储器结构：数据不需要专门的载入指令就可以直接访问；指令格式更易于程序员编码；代码密度高。操作数位置不同使每条指令的执行时钟周期不同；同一条指令内对内存地址和寄存器编码，限制了寄存器的数量；源操作数在二元操作中被破坏，操作数不是等价的。
- 存储器存储器结构：最紧凑；不浪费寄存器来做临时交换空间。指令长短各不相同；每条指令的操作各不相同；内存访问带来存储器瓶颈。
2. 内存寻址
- 字节顺序
Little Endian:二进制地址形如"x...x00"，位于32位字中最低位置的字节。
Big Endian:二进制地址形式如"x...x00"，位于32字中的最高位置的字节。
- 寄存器寻址
- 立即数寻址
- 位移量寻址
- 寄存器间接寻址
- 间接寻址
- 直接寻址
- 存储器间接寻址
- 自动递增寻址
- 自动递减寻址
- 比例寻址
- 循环递增（递减）寻址
- 位反转寻址
3. 操作数的大小与类型
- 指定操作数类型的方式
- 通过操作码编码
- 通过在数据上附带类型标记
- 字符（单字节）
- 半字（16位）
- 字（32位）
- 单精度浮点（一个字）
- 双精度浮点（两个字） 绝大多数情况下，整数使用补码，浮点数使用IEEE754 有些系统有字符串类型，操作很有限 有些计算机提供十进制数字格式，称作压缩十进制或者二进制编码十进制：用4个二进制位对一位十进制进行编码。数值字符串有时称为非压缩十进制。在压缩和非压缩编码之间转换成为压缩和解压缩。
- 顶点
- 像素
- 定点数
4. 指令集的操作
- 算数与逻辑运算
- 数据传输
- 控制
- 系统
- 浮点
- 十进制
- 字符串
- 图像 多媒体指令
- 单指令流多数据流(SIMD)或称为向量指令
- 饱和算法
- 多种舍入方式
- 乘加指令(MAC)
5. 控制流指令
- 条件转移
- 无条件跳转
- 过程调用
- 过程返回 指定地址的方式
- 直接地址
- PC相对寻址
- 寄存器间接跳转 条件转移方案
- 条件码
- 条件寄存器
- 比较并分支 过程调用方案
- 调用者保存
- 被调用者保存
6. 指令集编码
- 边长编码
- 定长编码
- 混合编码
7. 编译器相关问题
8. MIPS系统结构
9. Trimedia TM32结构
10. 谬误和易犯的错误
指令级并行
- 反相关(Antidependence)：由名字重复使用造成的相关，它与先读后写(WAR)冲突对应。
- 记分板调度
- 寄存器重命名
- Tomasulo调度
软件方法
- 循环展开
- 软件流水
- 路径调度
- 超级块调度
存储器层次结构设计
- 降低cache缺失率
- 增加块大小 增加cache容量 增加相联度 路预测和伪相联cache 编译优化
多处理器和线程级并行
存储系统
互联网络和集群
- 集群
- 缺点 优势
- 可靠性和可扩展性
- 缺点 优势
参考资料
- John Hennessy, David Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach (3rd Edition)