CH01 计算机系统基础知识#

• Amdahl定律
  • 加速比
• CPU性能公式
  • CPI,IC,比例
• 计算机组成和计算机体系结构等的区别

CH02 指令系统的设计#

• 哈夫曼编码
  • 平均码长,信息冗余量,熵(跟机器学习那个一样)
• 24,37编码

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• MIPS指令

CH03 流水线技术#

• 通过时间和排空时间的定义
• 流水线各段时间均等与不均等的计算性能
  • 吞吐率,加速比,效率
• 五个阶段,三个相关
  • 数据相关,名相关,控制相关
• 三种冲突
  • RAW, WAR, WAW
  • 解决方法
    • 延迟槽,减少分支延迟,预测分支成功/失败

CH05 指令级并行及其开发-硬件方法#

指令动态调度

• 相关概念
• Tomasulo算法基本原理、基本思想
• 算法的三个阶段（流出、执行、写回）
• 基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构的工作原理及相应指令分析
• 保留站7个字段的含义及其对应指令的应用

动态分支预测技术

• 几种方法：采用分支历史表BHT、分支目标缓冲器BTB、基于硬件的前瞻执行
• 前瞻执行基本思想（ROB）与Tomasulo算法的联系与区别
• 前瞻执行基本思想（ROB）的4个阶段：流出、执行、写结果、确认

动态调度

• 指令乱序执行

• 实现多配置

• 每一条指令都要经过流水线的四段（流出、读数、执行、写回）

• Tomasulo算法 保留站

  • 流出阶段:通过寄存器换名解决名相关(WAR和WAW相关)
  • 执行阶段:通过推迟方法解决RAW相关

• 前瞻执行

  • 执行阶段检测RAW冲突

CH07 存储系统#

• 注意减少不命中 开销 和 不命中 率 的区别

第一章：计算机系统基础知识#

计算机系统的实质

• 确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能
• 指令集结构：用硬件实现的指令集，软硬件之间的主要界面；

计算机系统设计的4个定量原理：如何优化并提高计算机性能

• 以经常性事件为重点
• Amdahl定律（理解原理并能进行简单计算）
• CPU性能公式（三个参数：时钟周期时间、CPI、IC）：理解不同方案性能的提高程度；
• 程序的局部性原理

第二章：指令系统的设计#

了解指令系统结构三种类型：堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构

哈夫曼编码基本思想

• 缩短编码长度；
• 理解并掌握指令操作码的优化（计算案例）

掌握并能灵活应用常用的MIPS指令

• MIPS指令特点（浮点寄存器与整数寄存器）、数据寻址方式
• MIPS三种指令格式：I类指令、R类指令、J类指令
• MIPS指令操作分为四大类：Load、分支与跳转、…、…

第三章：流水线技术#

流水线相关概念、分类

• 部件级、处理机级及处理机间流水线
• 单功能流水线与多功能流水线
• 静态流水线与动态流水线
• 线性流水线与非线性流水线
• 顺序流水线与乱序流水线

掌握并应用流水线的性能指标

• 各段时间均等与不均等的计算；
• 吞吐率、加速比、效率
• 静态与动态流水线分析举例

流水线的相关

• 经典流水线的5个阶段及其作用
• 相关的三种类型：数据相关、名相关、控制相关

流水线冲突

• 三种：结构冲突、数据冲突、控制冲突——基本概念
• 三种数据冲突：RAW、WAR、WAW
• 控制冲突的三种软件解决方法：减少分支延迟、预测分支失败/成功、延迟槽技术

第四章：向量处理机#

向量处理机概念

向量处理机+流水线=向量处理机

向量处理机的两种方式（横向水平和纵向垂直两种方式）；

• 二者的特点差别（数据相关、功能切换、适用场景）

提高向量处理的性能方法

• 连接技术：加快向量指令的执行；
  • 两条向量指令占用功能流水线…寄存器的4种情况
    • 指令相关、功能部件冲突、源寄存器冲突、结果寄存器冲突
  • 在Cray-1是用连接技术进行…，如何分析是…情况的执行时间

第五章：指令级并行及其开发-硬件方法#

指令级并行概念

• 开发ILP的两种途径（资源重复，流水线技术）；
• 开发ILP的方法
  • 基于硬件的动态开发方法，基于软件的静态开发方法：

流水线研究的并行技术以及所克服的停顿

• 流水线调度、循环展开、寄存器换名、指令动态调度、动态分支预测、瞻、多指令流出；

衡量流水线最高性能指标（CPI）

• 实际CPI和理想CPI的关系；

指令动态调度

• 相关概念
• Tomasulo算法基本原理、基本思想
• 算法的三个阶段（流出、执行、写回）
• 基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构的工作原理及相应指令分析
• 保留站7个字段的含义及其对应指令的应用

动态分支预测技术

• 几种方法：采用分支历史表BHT、分支目标缓冲器BTB、基于硬件的前瞻执行
• 前瞻执行基本思想（ROB）与Tomasulo算法的联系与区别
• 前瞻执行基本思想（ROB）的4个阶段：流出、执行、写记过、确认

多指令流出技术

• 引入目的：提高CPI
• 常用的技术：超流水线、超长指令字VLIW

第6章：指令级并行及其开发-软件方法#

软件的静态调度

• 循环展开的本质；
• 全局指令调度引入的原因、目标
  • 分支结构的循环体需要在多个基本块间移动指令，称为“全局指令调度”
  • 目标：在保持原有数据相关和控制相关不变的前提下（保证结果正确），尽可能的能地缩短包含分支结构的代码段的总执行时间。
  • 全局指令调度基本思想：在循环体内的多个基本块间移动指令，扩大…频率较高的基本块的体积（放到延迟槽中）。优化执行效率高的…
• 全局指令调度：踪迹调度、超块调度
• 显示并行指令计算EPIC
  • 条件传输指令与谓词执行的简单应用…指令含义）

第7章：存储系统#

理解Cache三种映射方式；

• 两种并行查找算法：相联存储器和单体多字存储器+比较器；

写策略

• 写回与直达法的区别

评价系统性能的间接指标

• 平均访存指标，计算公式：平均访存时间=命中时间+不命中率×不命中开销
• 程序执行时间CPU时间=（CPU执行周期数+存储器停顿周期数）×时钟周期时间

不命中开销=不命中周期数（停顿）×时钟周期时间

存储器停顿时钟周期数=访存次数×不命中率×不命中开销

降低不命中率

• 三种类型的不命中
  • 强制性不命中（增加块大小、预取）、容量不命中（增加容量）、冲突不命中（提高相联度）
• 8种降低不命中率优化策略
  • 增加Cache块大小、增加Cache的容量、提高相联度、伪相联Cache（列相联Cache）、硬件预期、编译器控制的预取、编译器优化、“牺牲”Cache

减少Cache不命中开销-5种

• 采用二级Cache（增加一级Cache，常用的方法）
• 让读不命中优先于写
• 写缓冲合并
• 请求字处理技术
• 非阻塞Cache或非锁定Cache技术