指令级并行与动态执行：分枝预测与多发射

第二章计算流体力学的基本知识

第二章计算流体力学的基本知识 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。 2.1计算流体力学简介 2.1.1计算流体力学的发展 流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20 世纪30～40 年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943 年一直算到1947 年。 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学" 。 从20 世纪60 年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。 自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。 流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解读解。但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解读解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力

高级计算机系统结构期末考试复习总结

第一章量化设计与分析基础 1.计算机性能提升表现在哪些方面： 半导体技术不断提高，如特征尺寸和时钟频率； 计算机体系结构不断改进，如高级语言编译器、标准化的操作系统和指令更为简单的RISC 体系结构。 2.并行分类： 1）应用程序的并行分类： 数据级并行(DLP)：同时操作多数据 任务级并行(TLP)：创建了一些能够独立处理但大量采用并行方式执行的工作任务 2）硬件的体系结构： 指令级并行(ILP)：在编译器帮助下。利用流水线的思想开发数据级并行，利用推理执行的思想以中等水平开发数据集并行。 向量体系结构和图像处理单元(GPUs)：将单条指令并行应用于一个数据集，来达到数据集并行 线程级并行：在紧耦合硬件模型中开发数据集并行或任务及并行，这种模型允许在线程之间进行交互。 请求级并行：在程序员或操作系统制定的大量去耦合任务之间开发并行 3.Flynn’s分类是如何分类的？ Flynn’s分类主要分为四类： 1）单指令流、单数据流(SISD)：一条指令处理一个数据，可以利用指令级并行(ILP) 2）单指令流、多数据流(SIMD)：将大量重复设置的处理单元按一定方式互连成阵列，在单一控制部件CU(Contrul Unit)控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，主要应用于向量体系结构、多媒体扩展指令和图像处理单元(Graphics processor units) 3）多指令流、单数据流(MISD)：用多个指令作用于单个数据流，没有商业实现 4）多指令流多数据流(MIMD)：每个处理器都提取自己的指令，对自己的数据进行操作，主要用于开发线程级并行TLP（紧耦合MIMD）和请求级并行RLP（松耦合MIMD） 4.什么是“真正”的计算机体系结构？ 1）满足目标和功能需求的组成和硬件； 2）限制条件下最大化性能：成本、功耗、可用性； 3）包括指令集体系结构(ISA)，微体系结构，硬件 5.计算题：可靠性的计算 平均无故障时间：Mean time to failure (MTTF)，MTTF是故障率的倒数。 平均修复时间：Mean time to repair (MTTR) 平均故障间隔时间：Mean time between failures (MTBF) = MTTF + MTTR 可用性：Availability = MTTF / MTBF 例：设磁盘子系统的组件及MTTF如下： 10个磁盘，1000000小时MTTF; 1个ATA控制器，500000小时MTTF; 1个电源，200000小时MTTF; 1个风扇，200000小时MTTF; 1根ATA电缆，1000000小时MTTF; 采用简化假设，寿命符合指数分布，各故障相互独立，试计算整个系统的MTTF. 解答： 系统故障率=10*1/1000000+1/500000+1/200000+1/200000+1/1000000=23000FIT(每10亿小时）

计算机技能高考基础知识(常考知识点记忆)精编版

模块一：信息、数据及通信的基本概念 考点1：信息、数据的基本概念 1、数据：所有能够被计算机接受和处理的符号的集合都称为数据 2、信息：有意义的数据的内容。指数据经过加工处理后得到的有价值的知识。 3、信息的基本特征：载体依附性、人地性、时效性、共享性、传递性、客观性、可处理性、真伪性 考点2：通信的基本概念 1、信号是数据在传输过程中的具体物理表示形式。 2、信号分为模拟信号（连续信号）和数字信号，数据信号相对模拟信号，抗干扰强，可靠性高。 3、调制解调器可完成数字信息与模拟信号之间的转换。其中，调制是将数据信号转换为模拟信号；解调是将模拟信号转换为数字信号。 4、通信系统三个基本要素：信源、信道、信宿 考点3：计算机的发展、类型及其应用领域。 1、第一台计算机：ENIAC，美国，1946年宾夕法尼亚大学 2、计算机的发展过程 3、计算机主要特点：运算速度快、精确度高、具有记忆和逻辑判断能力 4、计算机的主要应用 1)科学计算：例如：气象预报、海湾战争中伊拉克导弹的监测 2)数据/信息处理：例如：高考招生中考生录取与统计工作，铁路、飞机客票的预定系统，银行系统 的业务管理 3)计算机控制 4)计算机辅助系统：例如：用CAI演示化学反应 5)人工智能：例如：代替人类到危险的环境中去工作 6)办公自动化系统中的应用：例如：Internet发email 常用缩写： CBE:计算机辅助教育 CAI:计算机辅助教学 CMI:计算机管理教学 CAD:计算机辅助设计 CAT:计算机辅助翻译 CAM:计算机辅助制造 CAE:计算机辅助工程 5、计算机的分类： 1）根据规模大小分类：巨型机、大型通用机、微型机、工作站、服务器 2）根据用途分类：通用计算机、专用计算机 3）根据计算机处理数据的类型：模拟计算机、数字计算机、数字与模拟计算机 6、计算机科学研究与应用 人工智能：研究如何让计算机来完成过去只有人才能做的智能的工作。 网格计算：专门针对复杂科学计算的新型计算模式。 中间件技术：是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。 云计算：是分布式计算、网格计算、并行计算、网络存储及虚拟化计算机和网络技术发展融合的产物，

计算机基础知识

计算机基础知识 一、计算机的发展、类型及其应用领域。 1、计算机(computer)就是一种能自动、高速进行大量算术运算与逻辑运算的电子设备。其特点为:速度快、精度高、存储容量大、通用性强、具有逻辑判断与自动控制能力。 2、第一台计算机:ENIAC,美国,1946年宾夕法尼亚大学冯·诺依曼“存储程序”与“程序控制” 3、冯·诺依曼思想的核心要点就是: 1)计算机的基本结构应由五大部件组成:运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备。 2)计算机中应采用二进制形式表示数据与指令。 3)采用“存储程序”与“程序控制”的工作方式。 4、计算机的发展过程 阶段年份物理器件软件特征应用范围 第一代1946-1959 电子管机器语言、汇编语言科学计算 第二代1959-1964 晶体管高级语言科学计算、数据处理、工业控制第三代1964-1970 小规模集成电路操作系统科学计算、数据处理、工业控制、 文字处理、图形处理 第四代1970-至今大规模集成电路数据库网络等各个领域 5.主要特点:运算速度快、精确度高、具有记忆与逻辑判断能力 6、计算机的主要应用 科学计算:例如:气象预报、海湾战争中伊拉克导弹的监测 数据/信息处理:例如:高考招生中考生录取与统计工作,铁路、飞机客票的预定系统,银行系统的业务管理 计算机控制 计算机辅助系统:例如:用CAI演示化学反应 人工智能:例如:代替人类到危险的环境中去工作 办公自动化系统中的应用:例如:Internet发email

CBE:计算机辅助教育 CAI:计算机辅助教学 CMI:计算机管理教学 CAD:计算机辅助设计 CAT:计算机辅助翻译 CAM:计算机辅助制造 CAE:计算机辅助工程 7、计算机的分类: 1)、根据规模大小分类:巨型机、大型通用机、微型机、工作站、服务器 2)、根据用途分类:通用计算机、专用计算机 3)、根据计算机处理数据的类型:模拟计算机、数字计算机、数字与模拟计算机 8、计算机科学研究与应用 人工智能:研究如何让计算机来完成过去只有人才能做的智能的工作。 网格计算:专门针对复杂科学计算的新型计算模式。 中间件技术:就是介于应用软件与操作系统之间的系统软件。 云计算:就是分布式计算、网格计算、并行计算、网络存储及虚拟化计算机与网络技术发展融合的产物,或者说就是它们的商业实现,。 二、计算机中数据的表示与存储。 1、数制 二进制的优点: 技术实现简单简化运算规则适合逻辑运算易于进行转换 各种进制的后缀 B:二进制D:十进制H:十六进制O:八进制 2、数据的存储 1) 数据:所有能够被计算机接受与处理的符号的集合都称为数据 2) 信息:有意义的数据的内容。指数据经过加工处理后得到的有价值的知识。

第3章-指令级并行及其动态开发

高等计算机系统结构第3章-指令级并行及其动态开发流水线技术就是指令重叠执行技术，达到加快运算速度的目的。三种流水线冲突： ◆结构冲突(structure hazard)：由硬件资源冲突引起(资源冲突) 当硬件在指令重叠执行中不能支持指令所有可能的组合时发生的冲突。(需要更多的硬件资源) ◆数据冲突(data hazard)：下一条指令要用到上一条指令的结果。 在同时执行的几条指令中，一条指令依赖于前一条指令的数据，却得不到时发出的冲突。(需要定向，编译器调度) ◆控制冲突(control hazard)：由转移指令或其他改变PC指令引 起.(尽早检测条件，计算目标地址，延迟转移，预测) 由于这三种流水线冲突，导致流水线性能降低，不能运作在理想的重叠状态，需要插入停顿周期，从而使流水线性能降低。 指令之间可重叠执行性称为指令级并行性(Instruction Parallelism-ILP)。 因此进一步研究和开发指令之间的并行性，等于拓宽指令重叠执行的可能性，从而能进一步提高流水线的性能。

提高指令级并行度方法： ◆流水线动态调度：依赖硬件技术 广泛用于桌面电脑和服务去处理器中，包括Pentium III 和 Pentium 4,Athlon,MIPS R10000/12000,Sun UltrSPARC III 等◆流水线静态调度：依赖软件技术 更多的用于嵌入式处理器中，一些桌面电脑和服务产品也使用，如IA-64系统结构和Intel 的Itanium . 术语： ◆流水级（pipe stage):流水线由多个流水级组成，通常一条指 令由n 级流水级完成。每个流水级完成指令的部分任务。◆吞吐量（throughput):单位时间内流出流水线的指令数。◆机器周期（machine cycle):不同流水线完成指令功能不等，所 需时间有长有短，因此设计流水线的关键是合理划分指令功能，使每一流水级完成指令功能的时间大致相等。机器周期由最长流水级的时间决定，通常等于时钟周期。 第3章指令级并行及其动态开发 3.1 指令级并行概念

信息技术基础知识

第1章信息技术基础知识 计算机是迄今为止人类历史上最伟大、最卓越的技术发明之一。人类因发明了电子计算机而开辟了智力和能力延伸的新纪元。人类近代特别重视研究信息和利用信息，是从20世纪40年代研究通信技术开始的。电子计算机的诞生，为信息的采集、存储、分类以及适合于各种需要的处理提供了极为有效的手段，使信息在现代生活中成为不可缺少的资源，进而把人类社会推向信息时代。 1.1基本概念 1.1.1 信息 信息（Information）英文原意为通知或消息。概括地讲，信息是“关于客观事实的可通信的知识”。信息是客观世界各种事物变化和特征的反映。在日常生活中，信息也常被理解为消息或者说具有新内容、新知识的消息。实际上，信息的含义要比消息广泛得多，信息是客观存在的事物，通过物质载体所产生的消息、情报、指令、数据所包含的一切可传递和可交换的内容。从计算机科学的角度考虑，信息包括两个基本含义：一是经过计算机技术处理的资料和数据，如文字、图形、影像、声音等；二是经过科学采集、存储、分类、加工等处理后的信息产品的集合。 信息具有以下特点。 ?信息的广泛性：信息普遍存在于自然界、人类社会和人类思维活动中。 ?信息的时效性：在一定的时间里，抓住信息、利用信息，就可以增加经济效益，这是信息的实效性。 ?信息的滞后性：有些信息虽然当前用不上，但它的价值却仍然存在，因为以后还可能会有用，这是信息的滞后性。 ?信息的可再生性：人类可利用的资源可归结为3类：物质、能源和信息。物质和能源都是不可再生的，属于一次性资源，而信息是可再生的。信息的开发意味着 生产，信息的利用又意味着再生产。 ?信息的可传递性：可以通过不同的途径完成信息的传递，因特网为信息的传递提供了便捷的途径。 信息是无形财富，是战略资源。正确、有效地利用信息，是社会发展水平的重要标志之一。

计算机体系结构张晨曦版本第四章解答-new

第四章习题四 4.1解释下列术语： 指令级并行：指令序列中存在的潜在的并行性称为指令级并行。 指令调度：指令调度是一种用以避免冲突的方法，但并不改变相关。通过改变指令在程序中的位置，将相关指令间的距离加大到不小于指令执行延迟的时钟数，以此消除相关指令造成的流水线冲突。 指令的动态调度：在程序执行过程中，依靠专门的硬件对代码进行调度，重新安排指令的执行顺序，来调整相关指令实际执行时的关系，减少可能的冲突。 指令的静态调度：在程序的编译期间，由编译器进行代码调度和优化，重新安排指令的执行顺序，把相关的指令拉开距离，以减少可能产生的冲突。 保留站：在Tomasulo算法实现结构中，保留站设置在运算部件的入口，每个保留站中保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令的相关信息，包括操作码、操作数以及用于检测和解决冲突的信息。在一条指令流出到保留站的时候，如果该指令的操作数已经在寄存器中就绪，则将之取到该保留站中。如果操作数还没有计算出来，则在该保留站中记录将产生这个操作数的保留站的标识。 CDB：公共数据总线，是Tomasulo算法实现结构中的一条重要的数据通路，所有功能部件的计算结果都要送到CDB上，由它把这些结果直接送到各个需要该结果的地方。 动态分支预测技术：用硬件动态地进行分支处理的方法。这些方法是在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。如果分支行为发生了变化，预测结果也随之改变。其目的有两个：预测分支是否成功和尽快找到分支目标地址（或指令），从而避免控制相关造成流水线停顿。 BHT：分支历史表，也称之为分支预测缓冲器，用来记录分支指令最近一次或几次的执行情况（成功或不成功），并根据此进行预测。 分支目标缓冲：将分支成功的分支指令的地址和它的分支目标地址都放到一个缓冲区中保存起来，缓冲区以分支指令的地址作为标识，取指令阶段，所有指令地址都与保存的标示作比较，一旦相同，就认为本指令是分支指令，且认为它转移成功，并且它的分支目标地址就是保存在缓冲区的分支目标地址。 前瞻执行：基于硬件的前瞻执行结合了以下三种思想：

一级计算机基础知识

2016计算机一级考试MSoffice辅导:计算机硬件系统 计算机的硬件系统 冯.若依曼型计算机的硬件是计算机的基础，基本结构符合冯.若依曼的体系结构，五个功能部件：输入设备、运算器、存储器、控制器、输出设备。其中运算器和控制器，合称中央处理器，简称 CPU。 运算器-ALU(Arithmetic Unit ) 功能：对二进制数码进行算术运算或逻辑运算。运算:即数的加减乘除，乘方开方等。逻辑运算：即逻辑变量，与或非等基本操作。 构成：由一个加法器、若干个寄存器和一些控制线路组成。 核心是加法器(Adder)，每次运算的中间结果暂时保留，所以需要若干个积存数据的寄存器(Register)。 运算器的性能指标是计算机的字长和运算速度。 控制器-CU(Contorl Unit) 功能：指挥整个机器各个部件自动、协调工作。 构成：指令寄存器、译码器、时序节拍发生器、操作控制部件、指令计数器。 机器指令的执行过程： 1，机器指令：计算机可以真正“执行”的命令。 操作码源操作数(或地址) 目的操作数 机器指令构成：操作码+操作数，操作码指明指令索要完成的操作的性质与功能。操作数指明操作吗执行时的操作对象。 指令基本格式：

(2)指令的执行过程 1)取指令，根据程序计数器里的内容到存储器中读取当前要执行的指令，同时把他放到指令寄存器中。 2)分析指令，译码器开始译码，取出要执行的指令，并放到指令寄存器 IR中。 3)生成控制信号，控制器根据译码器的输出，按一定顺序产生执行该指令的所有控制信号。 4)执行指令，在控制信号的作用下，计算机各个部件完成相应的工作。 5)，重复执行：计算机根据PC中新的指令地址，重复执行上述4个过程，直至执行到指令结束。 CPU：(Central Processing Unit)中央处理器，由控制器和运算器组成，构成计算机的核心部件。 存储器(Memoty) 功能：用来存储当前要执行的程序、数据及结果，具有存数和取数功能。是计算机的记忆设备。 存数：指向存储器里“写入”数据 取数：指从存储器里“读取”数据 访问：读写操作统称对存储器访问，分为内存与外存储器两种。 1，内存储器(内存)：CPU 可以直接访问其里的数据。内存按功能分为RAM和ROM。 1)随机存取存储器RAM，特点是可读/写性。读操作与写操作。RAM 有课分为静态与动态两种。计算机内采用的是动态随机存储器(DRAM)，表面每个一段时间必须对存储数据刷新一次。易失性，即异常断电时RAM中的内容立即丢失。 2)只读存储器ROM。特点是只取不存，信息是事先就写好在存储器内的，无法改变或加保护，只有将保护去掉草可以重新改写内部信息。 可编程只读存储器PROM

指令级并行

指令级并行 我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。 指令级并行概念 指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。 指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。 指令级并行性的含义可用下面的例子来说明: (1)Load C1←23(R2) Add R3←R3+1 FPAdd C4←C4+C3 并行度=3 (2)Add R3←R3+1 Add R4←R3+R2 Store R0←R4 并行度=1 上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。(1)的并行度为3,它存在指令级的并行性。(2)的并行度为1,指令间没有并行性。如果能把程序中存在度指令级并行性挖掘出来,加以利用,就能达到一个机器周期执行几条指令的目

实验二指令级并行

实验二指令级并行 1. 实验目的 ⑴ 掌握DLXview的使用方法。 ⑵ 了解指令动态调度的基本过程。 ⑶ 了解记分牌算法和Tomasulo算法的基本结构、运行过程。 ⑷ 比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo算法的性能及优、缺点。 2. 实验环境 DLXview是一个图形化、交互式的DLX流水线仿真器。该模拟器能够实现对基本流水线，记分牌算法和Tomasulo算法的模拟。通过对内存访问延迟、功能部件的数目、功能部件的延迟的配置，实现不同的流水线的模拟。 该模拟器使用的是DLX指令集描述的计算机体系结构，执行DLX汇编语言程序，指令在流水线中执行的过程能以图形的方式表示出来，还能得到流水线操作周期的统计信息。模拟基本流水线，我们能观察到流水线时空图、各流水段状态以及流水线的数据通路；模拟记分牌算法，可观察功能部件状态表，指令状态表，DLX处理器基本结构图；模拟Tomasulo算法可观察指令状态表，保留站信息，DLX浮点部件结构图。DLXview对流水线的理解，以及处理器性能的评价很有帮助。 DLXview可以装载三种扩展名的文件：*.s文件是汇编码文件；*.d文件是数据文件（不是必须的，数据和代码可以一并形成一个*.s文件）；*.i文件是初始化寄存器文件，用来设置整形、浮点形寄存器数目。 DLXview需要运行在装有Tcl7.4/Tk4.0（或更高版本）以及GNU gcc编译器的Unix系统。我们是把DLXview运行在RedHat 9.0上。 3. 实验内容 1） 用DLX汇编语言编写代码文件*.s（程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关），以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d。本次实验中代码编写的要 求见附录。 2） 观察程序中出现的数据/控制/结构相关，并指出三种相关的指令组合。 3） 按照记分牌算法和Tomasulo算法，自己预测程序的执行过程，参照课本，绘制记分牌算法的功能部件状态表、指令状态表，以及Tomasulo算法的指令状态表、保留站信 息。 4） 将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上，并做如下分析： ⑴ 分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟，针对每一种模拟做如下分析： ①统计程序的执行周期，以及流水线中的stall数。 ②考察改变功能部件数目对性能的影响。

计算机基础知识讲义全

习惯经验的强大惯性，源自于背景的长期稳定性。软件体系的快速变革，让我们忽视了硬件体系的长期稳定。这种稳定性使得很多习惯经验变成了不言自明的信条。大多数的软件设计方法的革新只不过是用旧石斧打造出来新石斧。在C中我们使用getc,putc来进行IO,在Java中无非是变成了 System.in.read(),System.out.print ()。为什么IO必定是这种形式呢?这是因为我们长期使用着同一种计算机。我们知道PC/Mac这样的计算机中CPU与IO设备进行通信，需要通过各种总线。下面这图演示了CPU与IO设备之间通信的基本过程.

以C语言为代表的传统的IO,实际上是单CPU上单任务工作模式的投影。在单台计算机上, 传统计算机体系结构决定了CPU处于控制者和决策者的地位。换而言之,我们历来习惯于以CPU的视角来考虑程序的IO逻辑.程序员是将自己假设为CPU. 程序员关心的IO设施只是一个黑盒.我们只需要往IO发送一个请求，然后等待请求回来进行运算,完全不关心这一来一回之间到底发生了什么过程. 但是当我们打开黑盒,观察CPU与IO的通信过程的时候, IO Monad就从幕后走向了台前。以总线的角度看,CPU和外设是等同的，都只是一个具有运算能力和输入输出端口的黑盒.总线正如Bind/>>=函数一样不关心这些黑盒子里如何运算的，它只关心从这个黑盒拿数据出来放入那个黑盒. 从整个计算机的体系结构看，传统的IO观念只不过是IO Monad的一个局部化形态。 IO Monad实则上在一些接近操作系统底层的软件中，经常扮演者数据总线这

种核心角色。比如说Unix/linux shell的管道命令就是彻头彻尾的IO Monad. cat,命令是return/Unit函数,|管道符就是bind/>>=函数。例如:cat sample.txt|grep "High"|wc –l .cat 将sample.txt的文件容包装成stdout,|管道符将stdout的容传给grep 命令查询所有单词位High的行，查询的结果又被转化为stdout,再通过|管道符传送给wc命令进行行数统计。微软最新的Shell取名为Monad,其言下之意恐怕无需赘述了. 不仅如此,IO Monad在结构化程序语言的最初演化的阶段也残留了一些踪迹.很多古老的Pascal程序，都保留了在程序首部书写Input Outpu参数的习惯. program fac_n(input,output); var n:integer; function fac(n:integer):integer; begin if n=1 then fac:=1 else fac:=n*fac(n-1); end; 这就是把程序的主体看成IO Monad上的一个计算函数。所有的Pascal函数可以通过操作系统的IO设施串联起来.当然随着程序语言往CPU中心化的演化,这些痕迹就逐渐消失了. Monad仅仅是一个数学框架，并没有提供什么新的软件技术。在Monad 诞生之前，程序员们就已经在广泛的使用类似的软件设计方法。但是这些设计方法本身却无法回答我们一系列的追问:Exception,IO,Pipeline,为什么这些毫不相关

计算机系统结构(章节知识点)

1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机->第五级：高级语言虚拟机->第四级：汇编语言虚拟机->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。 8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c）假定两台计算机x、y；x比y快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x /响应时间y = n，响应时间与性能成反比。 16、大概率事件优先原则：（基本思想）对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。 17、Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。系统加速比=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）= …… 18、Amdahl定律推论：如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的效果越小。如果只针对整个任务的一部分进行优化，那么多获得的加速比不大于1 /（1-可改进比例）。 19、cpu性能：Cpu时间=总时钟周期数/时钟频率Cpi =总时钟周期数/ ic （cpi：平均每条指令的时钟周期数；ic：执行过程当中的指令条数。） Cpu性能公式：总cpu时间= cpi × ic /时钟频率其中：cpi反映了计算机实现技术、计算机指令集的结构和计算机组织；Ic反映了计算机指令集的结构和编程技术；时钟频率：反映了计算机实现技术，生产工艺和计算机组织。 20、并行性：是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同工作。第二章 1、根据cpu内部存储单元类型对指令集结构进行分类，一般可分为堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。 2、通用寄存器型指令集机进一步细分为3种类型： 寄存器-寄存器型（R-R）、寄存器-存储器型（R-M）、存储器-寄存器型。3、寻址方式：（1）寄存器寻址：例：ADD R4, R3 含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+Regs[R3] （2）立即值寻址：例：ADD R4,＃3含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+3 （3）偏移寻址：例：ADD R4, 100(R1)含义：Regs[R4]+Mem[100+Regs[R1]] （4）寄存器间接寻址：例：ADD R4, (R1)含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+Mem[Regs[R1]] （5）索引寻址：例：ADD R3, (R1+R2)含义：Regs[R3]<-Regs[R3]+Mem[Regs[R1]+Regs[R2]] （6）直接寻址或绝对寻址：例：ADD R1, (1001)含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[1001] （7）存储器间接寻址：例：ADD R1,a(R3)含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[Mem[Regs[R3]]] （8）自增寻址：例：ADD R1, (R2)+含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[Regs （9）自减寻址 （10）缩放寻址 4、指令集结构的功能设计： 指令集结构中操作的分类 操作类型实例 （1）算术与逻辑运算整数的算术和逻辑运算：加、减、与、或等（2）数据传输LOAD/STORE （3）控制分支、跳转、过程调用和返回、自陷等 （4）系统操作系统调用、虚拟存储器管理。 （5）浮点浮点加、减等操作 （6）十进制十进制加、十进制乘、十进制到字符的转换（7）字符串字符串移动、比较 （8）图形像素操作，压缩操作 5、复杂指令机（CISC）：是指强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统。 CISC指令集存在的缺点： （1）在这种指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。 （2）CISC指令集结构的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。 （3）CISC指令集结构的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。 （4）在CISC指令集结构中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 （5）在CISC指令集结构中，由于各条指令功能的不均衡，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 6、20世纪80年代发展起来的精简指令集计算机：其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到简化实现，提高性能的目的，也是当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。

CPU学习知识全面讲解

CPU知识全面讲解 CPU，全称“Central Processing Unit”，中文名为“中央处理器”，在大多数网友的印象中，CPU只是一个方形配件，正面是金属盖，背面是一些密密麻麻的针脚或触点，可以说毫无美感可言。但在这个小块头的东西上，却是汇聚了无数的人类智慧在里面，我们今天能上网、工作、玩游戏等全都离不开这个小小的东西，它可谓是小块头有大智慧。 作为普通用户、网友，我们并不需要解读CPU里的所有“大智慧”，但CPU 既然是电脑中最重要的配件、并且直接决定电脑的性能，了解它里面的部分知识还是有必要的。下面笔者将给大家介绍CPU里最重要的基础知识，让大家对CPU 有新的认识。 1、CPU的最重要基础：CPU架构 CPU架构： 采用Nehalem架构的Core i7/i5处理器 CPU架构，目前没有一个权威和准确的定义，简单来说就是CPU核心的设计方案。目前CPU大致可以分为X86、IA64、RISC等多种架构，而个人电脑上的CPU架构，其实都是基于X86架构设计的，称为X86下的微架构，常常被简称为CPU架构。

更新CPU架构能有效地提高CPU的执行效率，但也需要投入巨大的研发成本，因此CPU厂商一般每2-3年才更新一次架构。近几年比较著名的X86微架构有Intel的Netburst（Pentium 4/Pentium D系列）、Core（Core 2系列）、Nehalem （Core i7/i5/i3系列），以及AMD的K8（Athlon 64系列）、K10（Phenom系列）、K10.5（Athlon II/Phenom II系列）。 Intel以Tick-Tock钟摆模式更新CPU 自2006年发布Core 2系列后，Intel便以“Tick-Tock”钟摆模式更新CPU，简单来说就是第一年改进CPU工艺，第二年更新CPU微架构，这样交替进行。目前Intel正进行“Tick”阶段，即改进CPU的制造工艺，如最新的Westmere架构其实就是Nehalem架构的工艺改进版，下一代Sandy Bridge架构将是全新架构。AMD方面则没有一个固定的更新架构周期，从K7到K8再到K10，大概是3-4年更新一次。 制造工艺：

计算机体系结构测验考试及答案版本

计算机体系结构测验考试及答案版本

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计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机 ->第五级：高级语言虚拟机 ->第四级：汇编语言虚拟机 ->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。

8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c）假定两台计算机 x、y；x比 y 快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x /响应时间y = n，响应时间与性能成反比。 16、大概率事件优先原则：（基本思想）对于大概率事件（最常见的事

第4章 用软件方法开发指令级并行

高等计算机系统结构第4 章用软件方法开发指令级并行4.1 开发指令级并行的基本编译技术 4.1.1 基本流水线调度和循环展开 提高流水线性能的思路： Speedup= CPI unpipelined/CPI pipelined CPI pipelined = Ideal pipeline CPI+ pipelined stall cycles per instruction Pipeline CPI = Ideal pipeline CPI + Structural stalls + RAW stalls + WAR stalls + WAW stalls + Control stalls 所以,缩小CPI pipelined的途径就是:减少各种竞争造成的停顿周期数

各种高级流水线技术及其作用对象 技术作用(减少某类Stall) Forwarding and bypassing Potential data hazard stalls Delayed branches and simples branch scheduling Control stalls Loop unrolling Control stalls Basic pipeline scheduling RAW stalls Dynamic scheduling with scoreboarding RAW stalls Dynamic scheduling with register renaming WAR & WAW stalls Dynamic branch prediction Control stalls Issuing multiple instruction per cycle Ideal CPI Compiler dependence analysis Ideal CPI & data stalls Software pipelining and trace scheduling Ideal CPI & data stalls Compiler speculation Ideal CPI & data stalls Speculation data and control stalls Dynamic memory disambiguation RAW stalls involving memory

MATLAB 并行计算

Matlab并行计算（parfor） 1.Matlab并行计算原理 Matlab的并行计算实质还是主从结构的分布式计算。当初始化Matlab并行计算环境时，程序最初的Matlab进程自动成为主节点，同时初始化多个（具体个数手动设定，详见下面并行计算步骤）Matlab计算子节点。parfor的作用就是让这些子节点同时运行parfor语句段中的代码。parfor运行之初，主节点会将parfor循环程序之外变量传递给计算子节点。子节点运算过程时互不干扰，运算完毕，则应该有相应代码将各子节点得到的结果组合到同一个数组变量中，并返回到Matlab主节点。当然，最终计算完毕应该手动关闭计算子节点。 2.并行计算的理论步骤？ 指定运行计算所需的core（初始化Matlab并行计算环境）； 运行所需要计算的程序块； 释放分配的core。 格式如下： matlabpool local n; %parallel program matlabpool close 若提示“matlabpool will be removed in a future https://www.wendangku.net/doc/604991326.html,e parpool instead.”说明电脑所安装的matlab版本比较新，在新的matlab里很多语法都已经修改，但是保留了之前的旧语法，但是随着版本的更新，旧的语法会逐渐取消，因此若出现以上提示信息，建议采用以下的格式： parpool（n）; %parallel program delete（gcp） 其中n是core数目，为一个正整数，必须小于等于电脑处理器的core数目。你的电脑如果是双核四线程的，那么只能申请两个（而非4个）matlab local pool。笔记本电脑上i3、i5、i7的处理器一般是双核，台式机上i3是双核，i5、i7是四核。但是如果设置的n小于核心数量则核心利用率没有最大化，如果n大于核心数量则效率反而可能下降。因此n的大小一般设置为和机器本身的core的数量