课件计算机体系结构.ppt
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1、计算机体系结构 信息科学与工程学院计算机科学系 2006年9月2007年1月 主讲:林 和(tel:8914000-8518) e_mail: 时间:周二(1-2:1、2、基地班 教室:榆中A302 3-4: 3、4班 教室:榆中B505 ) 单周四(3-4:1、2、基地班 1-2: 3、4班 教室:榆中A601 ) Computer Architecture 兰 州 大 学 2006年9月第6版 课程类型:指选课 课程编号: 2043061 第1章 计算机设计基础计算机设计基础 1. 计算机设计者的任务 2. 计算机性能评价 3. 构成计算机的成本组合 4. 用系统结构知识选购计算机 本章要
2、点:介绍计算机设计者的任务、计算机 性能评价和计算机成本的构成。 一个计算机设计者首先应该知道:设计一台计算机应经过哪几个过程,首先 应做什么工作,一台计算机应有怎样的功能,如何评价这些功能,以及一台计算 机的成本构成。 第 一 讲(1周) 2006年9月5日 一、知识点 1. 计算机设计者的任务 二、重点与难点 1. 理解计算机需求的功能、功能实现时软件和硬件的选择、计算机 的设计过程。 2. 重点掌握计算机设计的几个原则。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是计算机需求的功能? 2. 什么是硬件(直接)实现与软件(间接)实现? 3. 什么是研制成本与重复制造成本? 4. 什么是成本性能比与
3、价格性能比? 5. 什么是Amdahl定律? 6. 什么是高频事件高速处理? 7. 什么是局部性原理(90/10局部性规则、时间局部性与空间局部性)? 8. 什么是计算机系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现? 第 二 讲(1周) 2006年9月7日 一、知识点 1. 计算机性能评价 二、重点与难点 1. 理解衡量计算机性能的参数、CPU性能、计算机性能常用指标及 如何正确评价计算机性能。 2. 重点掌握Amdahl定律与性能因子CPI 三、应记住的一些的概念 1. 什么是计算机的性能? 2. 什么是响应时间与CPU时间? 3. 什么是性能因子CPI? 4. 什么是MIPS与MFLOPS?
4、5. 什么是基准程序(实际程序、核心基准程序、简单基准程序、合成基准程序)? 6. 什么是SPEC基准程序? 第 三 讲(2周) 2006年9月12日 一、知识点 1. 构成计算机的成本组合 2. 用系统结构知识选购计算机 二、重点与难点 1. 了解器件成本、直接成本、间接成本、报价单价格。 2. 了解用系统结构知识(多余的功能是浪费、针对应用范围选择程序、考虑 整机性能与发展趋势、性价比和承受能力)选购计算机。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是器件成本? 2. 什么是直接成本? 3. 什么是间接成本? 4. 什么是报价单价格? 第2章 指令集的设计 1. 指令集的设计原则 2. 操作系统
5、、编译方法和系统结构的 相互影响 3. 指令系统的测量方法 4. RISC设计思想 本章要点:介绍指令集的设计原则、操作系统和编译 方法与系统结构的相互关系、指令系统的测量方法 、简要介绍RISC设计思想。 计算机处理器设 计的蓝图 第 四 讲(3周) 2006年9月12日 一、知识点 1. 计算机指令集的设计原则 二、重点与难点 1. 理解指令的分类、指令设计的原则、操作数的确定、寻址方式和 指令长度的确定。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是基本指令、专用指令与特权指令? 2. 什么是GPR型计算机? 3. 什么是存储器地址、I/O地址、寄存器地址? 4. 什么是寻址方式? 5. 什么是
6、外部对齐与内部对齐? 6. 什么是移位对齐与网络对齐? 第 五 讲(3周) 2006年9月21日 一、知识点 1. 操作系统、编译方法和系统结构的相互影响 二、重点与难点 1. 了解现代编译器的结构、 编译对系统结构的影响和要求、 操作系统和系统结构的关系。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是? 2. 什么是 第 六 讲(4周) 2006年9月26日 一、知识点 1. 指令系统的测量方法 2. RISC的设计思想 二、重点与难点 1. 了解测量的作用、测量项目、测量方法和测量举例。 2. 理解RISC设计的起源、RISC设计的原则。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是动态测量与静态测量?
7、2. 什么是CISC计算机与RISC计算机? 3. 什么是软件危机? 4. 什么是“Simple is fast”和“Small is fast ” ? 第3章 CPU的设计 1. 引言 2. 数据通路 3. 指令执行原理 4. 控制器 5. 中断 6. 综合应用:一种控制器的设计 本章要点:以RISC样机指令集为例介绍处理器 数据通路和控制器设计,以及中断系统。 控制器设计 第 七 讲(6周) 2006年10月10日 一、知识点 1. 数据通路 2. 指令执行原理 3. 硬连线控制、微程序控制。 二、重点与难点 1. 以RISC样机指令集为例理解处理器数据通路和指令执行原理 2. 掌握硬连线
8、控制、微程序控制。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是CPU的CPI与时钟频率? 2. 什么是数据通路及控制器? 3. 什么是控存? 第 八 讲(7周) 2006年10月17日 一、知识点 1. 中断数据通路 2. 硬连线控制设计、微程序控制的实现方法、微程序的控制改造。 二、重点与难点 1.了解中断。 2.了解硬连线控制设计、微程序控制的实现方法与微程序的控制改 造。 三、应记住的一些的概念 1. 什么是同步中断与异步中断? 2. 什么是用户请求的中断与强迫中断? 3. 什么是用户可屏蔽中断与不可屏蔽中断? 4. 什么是指令运行中产生的中断与指令间产生的中断? 5. 什么是A/J 格式与T
9、/M/B格式? 第4章 流水线技术 1. 流水线处理的基本原理 2. 流水线工作的主要障碍流水线竞争 3. 多周期操作的流水线策略 4. 流水线的动态调度 5. 高级流水线进一步开发指令集的并行处理 6. 非线形流水线 本章要点:流水线技术基础和高级流水线技术两大部分。 基础技术包括流水线处理的基本原理和流水线的动态调度、 指令级并行性的开发和非线形流水线等内容。 第 九 讲(7周) 2006年10月19日 一、知识点 1. 流水线处理的基本原理 二、重点与难点 1. 掌握流水线处理的基本结构与时空图; 线性流水线和非线性流水线的区别; 流水状态图与流水的功能状态图。 三、应记住的一些的概念
10、1. 什么是流水线技术? 2. 什么是流水级或流水节拍? 3. 什么是流水线工作的三个阶段? 4. 什么是操作部件级、指令级与处理器级流水线? 5. 什么是单功能流水线与多功能流水线? 6. 什么是静态流水线与动态流水线? 7. 什么是标量流水线与向量流水线? 8. 什么是线性流水线与非线性流水线? 第 十 讲(8周) 2006年10月24日 一、知识点 1. 流水线工作的主要障碍流水线竞争 二、重点与难点 1.由资源缺乏引起的资源竞争,导致指令形成重叠执行的结构竞争; 由指令间数据相关而引起的数据竞争; 数据竞争的三种形式: 先写后读相关 RAW (read after write) 写写相
11、关 WAW (write after write) 先读后写相关 WAR (write after read) 由程序指针PC值的改变而引起的控制竞争; 三、应记住的一些的概念 1. 什么是结构竞争? 2. 什么是数据竞争? 3. 什么是控制竞争? 4. 什么是停顿(stall)或气泡(bubble)? 5. 什么是旁路(bypassing)? 6. 什么是指令发射(instruction issue) 和指令已发射(issued)? 第 十一 讲(9周) 2006年10月31日 一、知识点 1. 流水线工作的主要障碍流水线竞争 2. 多周期操作的流水线策略 二、重点与难点 1. 由资源缺乏引
12、起的资源竞争,导致指令形成重叠执行的结构竞争; 由指令间数据相关而引起的数据竞争; 由程序指针PC值的改变而引起的控制竞争; 2. 基本流水线的扩展、长延时流水线的竞争及其消除 三、应记住的一些的概念 1. 什么是控制竞争? 2. 什么是延时槽? 3. 什么是精确中断? 4. 什么是完全流水与非完全流水? 5. 什么是乱序? 第 十二 讲(9周) 2006年11月2日 一、知识点 1.流水线的动态调度 二、重点与难点 1. 数据竞争竞争的动态调度 记分牌的几级流水步骤、基本结构、组成信息与数据结构; Tomasulo动态调度算法与保存站思想的引入; Tomasulo算法的几级流水步骤、基本硬件
13、结构、组成信息。 2. 控制冲突的硬件预测 转移预测器思想的引入与两位转移预测方案的优先状态图 三、应记住的一些的概念 1. 什么是流水线静态调度与流水线动态调度? 2. 什么是乱序发射? 3. 什么是记分牌? 4. 什么是窗口、逆相关、输出相关与名称相关? 5. 什么是转移预测缓冲器? 第 十三 讲(10周) 2006年11月7日 一、知识点 1. 流水线的动态调度 二、重点与难点 1. 数据竞争竞争的动态调度 Tomasulo动态调度算法与保存站思想的引入; Tomasulo算法的几级流水步骤、基本硬件结构、组成信息。 2. 控制冲突的硬件预测 转移预测器思想的引入与两位转移预测方案的优先
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