胡伟武讲义解读：计算机体系结构概览

本文将对计算机体系结构进行深入探讨，基于胡伟武老师的讲义和相关教材，我们将涵盖多个核心主题，旨在理解计算机系统的内部构造和工作原理。首先，计算机体系结构是一个研究领域，关注计算机系统从外部观察到的特性，包括控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备等组成部分。它处在系统软件与硬件电路之间的概念层面上。 内容的主体分为十部分： 1. 计算机系统结构基础：这部分讨论了计算机性能、价格和功耗等关键因素，以及如何平衡这些因素来满足不同应用场景的需求，如个人PC和计算中心。 2. 常用逻辑电路：涉及基础的逻辑门电路，如与门、或门、非门和复合逻辑电路，它们是计算机硬件的基本构建模块。 3. 指令系统结构：讲解计算机指令集的组织和设计，包括指令的格式、种类以及对指令执行效率的影响。 4. 静态流水线和动态流水线：介绍流水线技术，用于提高处理器的吞吐量，静态流水线指每个阶段的时间固定，而动态流水线则允许更灵活的调度。 5. 多发射与动态调度：探讨如何通过同时发射多条指令来进一步提升处理器性能，并结合动态调度策略优化执行顺序。 6. 功能部件设计：深入到处理器内部，讨论算术逻辑单元、控制单元和其他功能模块的设计优化。 7. 转移及转移猜测：分析分支指令处理，包括预测转移目标以减少延迟。 8. CACHE及存储层次：讲解高速缓存的作用、设计和管理，以及多级存储层次如何提升访问速度和整体性能。 9. 存储管理：涵盖虚拟内存、页表管理和地址映射，确保高效地使用有限的物理内存资源。 10. 计算机的性能评价和优化：介绍冯诺依曼结构，以及如何通过基准测试程序如SPEC、TPC、EEMBC和LMBench来评估性能。此外，讨论了优化策略，如降低CPI和提高IPC，以及Amdahl定律在性能提升中的应用。 计算机的性能优化通常依赖于减少指令数、提高指令执行效率和利用并行性。局部性原理指出，程序倾向于在短时间内访问同一数据，这指导了缓存设计。此外，理解和应用Amdahl定律对于判断性能改进的潜力至关重要。 最后，我们还需要考虑成本效益，性能价格比是衡量计算机性价比的重要指标。在设计计算机系统时，必须权衡性能提升、成本控制和功耗限制。 计算机体系结构是一门综合性学科，它涵盖了从基本逻辑元件到复杂系统设计的广泛知识，旨在构建高效、可靠且适应各种应用需求的计算机系统。