四川大学计算机系统结构期末复习精华概要

计算机系统结构是信息技术领域的一个核心概念，它涉及计算机硬件和软件之间的交互界面，是理解计算机工作原理的关键。四川大学的期末复习题涵盖了计算机系统结构的基础理论，包括计算机组成和计算机实现的层面。 计算机组成主要关注的是计算机系统结构在逻辑层面的具体实现，如数据流和控制流的组织，物理机器级别的设计。物理机器级包括处理机的设计，比如MIMD (Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream) 和 SIMD (Single Instruction Multiple Data Stream) 并行架构，前者允许多个指令流并行执行多个数据流，后者则是一条指令针对多组数据进行操作，这在处理大量并行计算任务时有显著优势。 复习题中提到的四个定量原理之一是Amdahl定律，它阐述了当提升某个子系统的速度时，系统整体性能的提升是有限的，受制于该子系统在总执行时间中的占比。另一个重要的概念是CPU性能计算公式，即CPU时间 = IC × CPI × 时钟周期时间，其中IC代表指令执行次数，CPI是平均每个指令的时钟周期数，这个公式有助于理解处理器效率和性能优化。 程序的局部性原理是编程中的重要概念，包括时间局部性和空间局部性。时间局部性意味着程序倾向于反复访问最近使用的数据，而空间局部性则强调数据在内存中的物理位置与其被访问的顺序相关。这些原理对缓存优化和内存管理至关重要。 非冯·诺依曼计算机是一种不同于传统冯·诺依曼架构的计算机设计，它打破了固定的指令执行模式，提供了更大的灵活性和扩展性。提高计算机系统并行性的三种技术途径包括时间重叠（如流水线技术）、资源重复（如多处理机系统）和资源共享（如分时系统），它们通过优化硬件使用和任务调度来增强并发能力。 指令集架构（ISA）是计算机体系结构的核心组成部分，定义了程序员可直接使用的指令集和硬件特性，如数据类型、寻址方式、内存管理和I/O操作。RISC和CISC是两种不同的指令集设计理念，RISC通过简化指令集和采用统一的指令格式，提高执行效率，而CISC则提供多样化的功能但可能导致指令长度增加和复杂性提升。 流水线技术是计算机性能优化的重要手段，单功能流水线、多功能流水线、静态流水线和动态流水线都是流水线的不同形式，分别对应不同的功能配置和执行方式。解决流水线瓶颈的方法可能包括改进指令调度策略、优化硬件设计以适应不同的负载或采用预测技术提前预取指令，以减少等待时间。 期末复习题涵盖了计算机系统结构的多个关键点，包括硬件设计、指令集优化、并行计算、程序优化和流水线技术，这些都是理解和掌握现代计算机系统运作不可或缺的知识。