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Chapter 8：期末复习梳理

约 1514 个字 3 张图片 预计阅读时间 5 分钟

目录
  • 知识点回顾与梳理
  • 考试技巧与经验分享

1. 知识点回顾与梳理

1.1 学了什么？

从编程人员的视角出发，研究如何提高计算机的性能：

  • Chapter 1：如何衡量与计算计算机性能
  • Chapter 2：如何加快内存的访问速度
  • Chapter 3：寻求指令之间的并行性
  • Chapter 4：寻求数据之间的并行性
  • Chapter 5：寻求线程之间的并行性

1.2 Chapter 1：量化设计方法

1. 计算机的分类

  • Flynn 分类法：SISD、SIMD、MISD、MIMD
  • 标量与向量处理器：分别对应 Flynn 中的 ？
  • 单处理器与多处理器：分别对应 Flynn 中的 ？
  • UMA 与 NUMA 之间的区别
  • Register Machine / Stack Machine / Accumulator Machine

2. 计算机性能的量化

  • 执行时间
    • 总执行时间
    • 权重执行时间
    • 几何平均时间
  • 可靠性
    • MTTF、MTTR、MTBF
  • Amdahl 定律

1.3 Chapter 2：层次化存储

1. 存储系统基本概念与计算

  • 统一缓存、分离缓存（指令与数据）
  • 缓存缺失分类：3C
  • AMAT 的计算

2. 存储性能优化（进阶版）

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2. 缓存性能优化（进阶版）

几个重点：

  • 减少地址转换：三种缓存形式要知道原理
    • VIVT、PIPT、VIPT
  • 多级缓存的计算
    • L1 的 Miss Penalty 就是 L2 的 AMAT
  • 缓存块大小、缓存大小、关联度三个指标对性能的影响

1.4 Chapter 3：指令级并行

1. 拓展原来的流水线

  • 增加 FU 导致执行时间不一致
  • 三种数据冲突
    • RAW、WAR、WAW
    • 谁是真正的数据依赖？谁是命名相关依赖？
    • 在本流水线中如何解决？
  • 预约移位寄存器的设计

2. 硬件方法：动态调度之 Scoreboard

  • 三张表
    • 指令状态表、FU 状态表、寄存器状态表
    • 各个 field 的含义
  • 五个状态
    • IF、IS、RO、EX、WB
  • 工作原理
    • 怎样看能不能发射？怎样看能不能执行？
  • Scoreboard 的优点与缺点
    • 优化：显式寄存器重命名版本

3. 硬件方法：动态调度之 Tomasulo

  • 核心思想
    • 与 Scoreboard 的区别
    • 隐式寄存器重命名
  • 硬件结构
    • 指令状态表、寄存器状态表、各个 FU 的保留站
    • CDB 公共数据总线
  • 四个阶段
    • IF、IS、EX、WB
  • 工作原理
    • 怎样看能不能发射？怎样看能不能执行？

4. 硬件方法：动态分支预测

  • 一位、两位预测器
    • 掌握状态机设计、预测成功率计算
  • 相关预测器
    • 掌握大小计算
  • 饱和预测器、BTB 等
    • 了解原理

5. 硬件方法：猜测执行 Speculation

  • 原理与思想
    • 指令提交的概念
    • 可回滚：Reorder Buffer
  • 工作过程
  • 精确中断
    • 为什么带有 ROB 的 CPU 可以实现精确中断

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6. 硬件方法：超标量

  • 静态调度的 Superscalar
    • 概念
    • 性能问题
  • 动态调度的 Superscalar
    • 执行过程
    • 解决同时写回冲突
  • 带有猜测执行的 Superscalar
    • 按序提交

7. 软件方法

  • 基本编译器优化
    • 循环展开与代码重排：会做
  • 静态分支预测
  • 静态多发射：VLIW
    • 了解原理、与 Superscalar 的区别
  • 高级编译器优化技术
    • 软件流水线、全局代码调度
    • 相应的硬件技术辅助

1.5 Chapter 4：数据级并行

  • SIMD 概念
  • 向量处理器
    • 结构
    • 优缺点
    • 向量长度概念与 Strip Mining
  • 向量处理器性能提升
    • 向量链接、条件执行、多道程序、Gather/Scatter

  • GPU

    • 与向量处理器的区别

  • Loop Level Parallelism（LLP）

    • 概念
    • 改写
    • 与向量链接技术相结合，性能计算

1.6 Chapter 5：线程级并行

1. 多处理器系统

  • 分类
    • 统一共享内存、分布式内存
    • UMA、NUMA
  • 编程模型

2. 缓存一致性

  • Snooping 监听协议
    • 原理：Invalid、Shared、Exclusive 三种状态
    • 状态机设计：CPU RW、BUS RW
    • 过程推导
    • 拓展：MESI 协议（四种状态）
  • Directory 目录协议
    • 三个 node 的概念
    • 三种状态
    • 访问过程

3. 同步

  • 传统软件方法的问题
  • 硬件手段：原子操作
    • Atomic Exchange、Test-And-Set、Fetch-And-Increment
    • RISC-V：LL&SC
  • 互斥锁的实现
  • 性能问题与优化方法

4. 内存连续性

  • 连续性 Consistency 与一致性 Coherency 的区别
  • 几个模型
    • 最严格的 Sequential Consistency
    • 逐步放宽：Total Store Order、Partial Store Order、Weak Consistency 等

2. 考试技巧与经验分享

2.1 关于历年卷

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  • 我认为有价值的题目都已放在各个章节的 slides 中
    • 可以进小群看
  • 近几年全部可以搜到的历年卷
  • 建议考前都做一遍，最重要的是熟悉题型

2.2 关于考试

  • 24 秋冬题型
    • 单项选择 40 * 1.5 = 60
      • 除了计算，还有很多概念题
    • 大题 40 分
      • 缓存计算（基本都是计组的知识）
      • 循环内依赖、寄存器重命名
      • 缓存一致性：MESI 协议
      • Scoreboard 过程推导
  • 不出意外今年老师会发布各章节占比
    • 以最新消息为准

一些非常重要的知识点，可以说大题几乎是必考：

  • 缓存性能计算
    • AMAT、Cache Miss Rate、Miss Penalty
    • 结合第一章的 CPU Time 计算
  • 动态调度
    • Scoreboard、Tomasulo
    • 过程推导（填表），两个至少考一个

  • 缓存一致性

    • 两种协议的的过程推导

  • 不会很难

    • 与组成课不同，体系结构很多知识都是了解为主
    • 复习最重要的是理解重点部分的原理
  • 题量不小
    • 做题注意把控时间

2.3 关于 A4 纸

  • 按照老师的要求来
    • 如果要求手写就手写
    • 允许打印就打印
  • 建议提前几天开始过一遍课程
    • 顺便完善自己的 A4 纸
    • 重点记自己不清楚的或是懒得背诵的

个人强烈建议：

  • 缓存性能优化的 n 种策略
  • 动态分支预测的几种实现
  • 老师 PPT 的几张总结表
  • 几种分类
    • Flynn 计算机种类分类
    • 多处理器的不同种类
    • ISA 的几种分类
  • 我的 A4（供参考）：https://note.flyburg.cc/course/arch/
    • 基于大群郭嘉豪学长的 A4 纸改编而来