1946年第一台通用电子计算机 ENIAC，之后第一台VonNeumann计算机 EDSAC，第一台小型机
PDP-1，第一个系列计算机IBM 360
评价计算机性能的指标
- 吞吐率：单位时间内完成的任务数量
- 相应时间：完成任务的时间
- 衡量性能：
- MIPS: million instructions per second
- CPI: cycle per instruction
- CPU Time: CPU全速工作时完成该进程所花费的时间
- CPU Clock: 时钟频率
指令系统分类
- 复杂指令集 CISC
- 精简指令集 RISC
- 超长指令字 VLIW (Very Long Instruction Word)
- 并发运行多条短指令
- 例如Intel 安腾指令集
RISC-V 指令系统
- RV32I 基础整数指令
- RV32F 单精度浮点指令
- RV32D 双精度浮点指令
- 特权指令 扩展指令
RISC-V 指令格式
编码
- ASCII: 7位 占用一个字节
- UNICODE: 16位
- UTF-8: 变长字符编码
字符长度由首字节确定
除首字节均以10开始，自同步，可扩展性强
- 点阵字体；矢量字体：利用曲线表示
浮点数
- 加减向较大的阶码靠近，之后原码加减，然后格式化，最后舍入
码距
- 任意两个合法码之间最少二进制位不同
- 合理增大码距可以提高发现错误的能力
- 奇偶校验码为2，海明码为4
奇偶校验码
- 用于并行码检错
- K位数据码+1位校验码，使得1的位数保持偶数/奇数
- 电路实现为全部异或
海明校验码
- 用于多位并行数据检错纠错
- K位数据码1，r个校验位，使得能发现并改正k+r位中任何一位出错；或者发现但无法改正任何二位同时出错
- 需要满足（发现并改正一位错误）或者（r-1位用于校验，码距为3，单独设一位用于区分是1位还是2位出错，能发现两位错误）
- 实现方案
- 校验位排列在2的幂次方位，其余为数据位
- 数据位由其组成的幂次进行校验
- S为自己和自己进行异或，表示出错的P
全加器
超前进位
查找表
- 本质上是一个RAM，结果事先写入RAM，之后输入地址进行查找
【AM2901】
指令系统
- 5种类型部件：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备
- 寻址方式
- 立即数寻址：取指同时取到操作数
- 直接寻址：根据地址码字段寻得指令地址
- 寄存器寻址
- 变址寻址：变址寄存器+偏移量
- 相对寻址：PC+偏移量
- 间接寻址：地址的地址
- 基址寻址：基址寄存器+偏移量
- 堆栈寻址：SP
RISC-V 指令系统
- 推荐但不强制地址对齐
- 小端机结构
- 算数指令
- 忽略溢出问题，高位被截断，低位写入到目标寄存器中
- 乘积分高低32位，用mul和mulh获取
- 除法div模rem
- 分支与跳转指令
- 比较指令 slt set less than sltu slti sltiu
- 跳转指令Imm末尾有一个隐含的0
- lui+addi注意，addi可能会出现符号扩展的情况，这就需要lui的时候在最后加上1
- jal：PC跳到PC+imm，使用20位imm，末尾有一个隐含的0，实际跳转范围为个位置，每个位置2字节；或者说为个32-bit的指令
- jalr：PC跳到rs1+offset，并把返回地址写入rd
CPI：cycle per instruction，每条指令平均使用的CPU周期
单周期：必须使用最长的指令的周期（加速比为优化每种指令的时长）
多周期
- 两种不同类型的控制器
- 硬连线：采用组合逻辑线路
- 微程序：打表，存储控制信号，根据指令执行的步骤读出要用的信号组合
流水线
- 流水线效率受限于用时最长的阶段（时钟周期不能短于最慢的流水段）
- 衡量流水线性能指标
- 吞吐率：单位时间执行指令的数量
- 加速比：与串行执行时速度提高的比率（非段数）
数据冲突写后写只会发生在流水线不只一个流水段可以进行写，或者暂停某条指令执行允许之后执行。
按访问方式分类存储器
- 随机访问存储器 RAM
- 顺序访问存储器 SAM
磁带
- 直接访问存储器 DAM
随机+顺序，磁盘
- 关联访问存储器 CAM
层次存储满足的原则：
- 一致性原则：同一信息值相同
- 包含性原则：内层信息一定被包含在外层中
动态存储器：
- 用金属氧化物半导体的单个MOS管来存储一位信息，存在T的源极寄生电容CS中。
- 破坏性读出
预充电延迟：把刚读到的内容写回去
- 需要定期刷新
每次刷新一行，分为集中刷新和分散刷新
- 快速分页组织
锁存前一次行地址，之后仅送列地址
- 读写时序，RAS_L需要有效，CAS_L早晚都行
- 存储容量高，访问速度慢，能耗低，成本低
静态存储器：
- 速度快，存储密度低，出入共用管脚，能耗高，成本高，同时送行列地址
Cache
- 缺失损失：替换较高层数据块的时间+将该块交付给处理器的时间
- 参数对性能的影响
- 块大小
- 替换策略：LRU（替换最少被用到的），FIFO（队列），RND（随机）
- 接入方式
- 不命中写策略？
- 提升存储访问性能：
- 提高命中率
- 缩短缺失访问时间
- 提高Cache本身速度
- 必然缺失：首次/进程切换——访问足够多可
容量缺失：数据集超过Cache大小——增加容量
冲突缺失：多个映射到一个——增加相连组数
无效缺失：其它进程修改了主存数据
段式存储管理
- 段是共享和保护的最小单元
磁盘
- 寻道时间
- 旋转延迟：平均为旋转半周的时间
- 传输时间
- 磁盘控制器延迟
- 额外开销在总开销中比例较大 ⇒ 一次传输大量数据比较有效
将页面存放在相邻扇区可以避免额外的寻道开销
RAID
- RAID0
分成多个带（strip），每个带若干扇区。
- RAID1
四块主磁盘四块辅助磁盘，每次写两次，读任意一个。读性能提高两倍。
- RAID2
使用海明码，字节拆分成半字节（4位）加上3位海明码，七个驱动器磁头同步旋转
- RAID3
对每个字计算一个校验位，写到校验驱动器上。需要严格同步。对整个磁盘崩溃能够恢复。
对随机读写不友好，校验盘负载沉重
- RAID4
3的基础上加上0的分带，按strip进行校验，所有位异或起来形成校验带。有了更好的空间局部性，不需要对字进行校验也不需要驱动器同步，可以防止整块盘崩溃，但对部分数据出错纠错性能差。同时校验盘损坏更快了。
- RAID5
4基础上。将校验盘分在不同的盘上。减少校验盘负担。但是修复变困难了。
- RAID6
二维校验，P为同一行全部相加，Q为另一个一阶多项式
SSD
- 有限擦除次数，按页读写按快擦除
- FTL完成逻辑地址到物理地址的转换和磨损均衡
总线
- 多主设备总线提高事务数量
仲裁重叠：在当前事务为下一事务仲裁
总线占用：在没有其他主设备请求总线的情况下，某主设备一直占用总线
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