高级计算机体系结构：核心概念与并行处理

"这篇资料是关于高级体系结构的课程总结，涵盖了计算机技术快速发展的原因、体系结构的演化、现代计算机体系结构的组成以及计算机系统结构的分类。在内容中特别强调了指令级并行性和其动态利用，讲解了流水线的工作原理、实现难点以及流水线性能指标，并详细讨论了MIPS指令格式及其5阶段流水线中的各种危害及解决方案。" 在高级体系结构的课程中，首先探讨了计算机技术飞速发展的原因，这主要归功于摩尔定律的推动，即集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番，导致技术性能持续提升。同时，体系结构的发展也起到了关键作用，通过设计优化和创新，使得计算机性能不断提升。 体系结构的演化过程是一个从单核到多核，从简单指令集到复杂指令集，再到超标量、多线程等多样化的过程。现代计算机体系结构通常包括处理器、内存、I/O设备等多个组件，而高级计算机体系结构的研究则深入到微架构、并行处理、能量效率等多个方面。 在冯·诺依曼分类法的基础上，Flynn分类法进一步对计算机系统结构进行了定性的分类，主要分为单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流(MISD)和多指令流多数据流(MIMD)四类。这些分类有助于理解不同架构下的并行处理能力。 在指令级并行性和其动态利用部分，流水线是提高处理器性能的关键技术。流水线通过将指令执行过程划分为多个阶段来实现并行，但同时也带来了实现难度，如流水线停顿（stall）、结构冲突（structural hazards）、数据冲突（data hazards）和控制冲突（control hazards）等问题。针对这些问题，资料中提出了多种解决方案，如插入停顿、数据锁存、转发、预计算分支等方法，以减少或消除这些危害。 MIPS指令格式是教学中常用的一种实例，其5阶段流水线包括取指、解码、执行、访存和写回。在MIPS流水线中，各种危害可能导致性能下降，通过硬件和软件优化可以显著提高流水线的效率。 高级体系结构课程不仅涉及理论知识，还涵盖了实际问题的解决策略，旨在培养学生对计算机硬件性能优化的理解和设计能力，这对于未来在计算机系统设计领域的工作至关重要。