计算机系统结构复习：指令集、流水线与并行性解析

"这是一份关于计算机系统结构的复习资料，涵盖了从计算机的层次概念到指令集架构，以及计算机性能评测、流水线技术、指令级并行和循环级并行等多个核心主题。" 计算机系统结构是研究计算机硬件系统设计原理和方法的学科，主要关注机器级程序员所看到的计算机属性，包括概念性结构和功能特性。在这个领域，计算机被分为不同的层次，从微程序机器级到应用语言虚拟机，每一层都有其特定的语言和功能。微程序机器级使用微指令集，而传统机器级则基于机器指令集，操作系统虚拟机直接管理和分配软硬件资源，为用户提供服务。汇编语言和高级语言虚拟机则分别对应着汇编程序和特定应用的编程需求。 计算机性能的评估通常涉及到响应时间和吞吐率两个关键指标。响应时间指的是从请求开始到系统响应的时间，而吞吐率则衡量了单位时间内系统能完成的任务数量。CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）是两种主要的指令集架构，CISC拥有丰富的指令集，而RISC则追求更高的效率和简洁性。 指令集架构（ISA）是计算机硬件和软件之间的重要接口，包括算术逻辑单元（ALU）在内的硬件组件都是根据ISA来设计的。为了提高执行效率，引入了流水线技术，如5段流水线，包括取指令、指令译码、执行、存储器访问和写回等步骤。流水线中可能存在的数据相关、名相关和控制相关冲突需要通过定向（旁路）技术和指令调度来解决。 指令级并行通过流水线和硬件/软件协同来实现，其中，循环级并行是优化性能的关键，循环展开和指令调度方法可以进一步发掘并行性。数据流分析关注数据值在指令间的流动，而循环展开和指令调度策略则有助于减少停顿和开发更多的并行性。指令的动态调度，例如使用记分板调度算法，能够在运行时调整指令顺序以减少数据相关的停顿，而静态调度则是在编译期间进行的，允许一定的乱序执行。 这份复习资料详细介绍了计算机系统结构的核心概念和技术，对于理解和优化计算机系统的性能至关重要。