计算机系统结构复习

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把整门课压成一条复习主线：先明确系统结构研究什么，再用定量方法评价性能，最后逐个拆解处理器、存储、I/O、互联网络和多处理器。

来源：计算机系统结构复习串讲.pdf 全局框架章节关系复习顺序考前总览

5复习段落

12讲义截图

5自测问题

怎么用本页

先看主线，再背公式，最后做题

每个专题页都按“概念框架、公式变量、典型题型、原讲义对照、自测问题”组织。复习时从左侧目录跳转，遇到计算题直接回到高亮公式段。

本页材料 5 个复习段落

12 页原讲义截图可展开核对，适合考前查原表、原图和例题。

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正文已经把知识点重新组织；这里保留讲义页面缩略图，方便你在需要时回看原版题目、图和表。

计算机系统结构这门课可以统一理解成一个问题：如何设计一个计算系统，让它在功能、性能、成本、功耗、可靠性和可编程性之间取得合理平衡。所有章节都围绕这个目标展开。

ISA 规定软件能看到什么：指令、寄存器、寻址方式、异常和中断等。它是软件和硬件之间的契约。

流水线、分支预测、多指令流出等技术都在开发指令级并行，目标是降低 CPI、提高吞吐率。

存储墙、I/O 可靠性、互联网络带宽、多处理器同步，都是系统层面的性能和正确性问题。

复习时不要把章节割裂流水线和指令级并行解决“CPU 内部怎么快”；Cache 和主存解决“数据怎么跟得上”；I/O 和互联解决“系统怎么连起来”；多处理器解决“多个计算单元怎么协作”。

考试如果要求解释三者关系，抓住“系统结构是软件可见接口，组成是逻辑实现，实现是物理实现”就不容易跑偏。

系统结构设计不能只凭直觉，需要用执行时间、吞吐率、CPI、失效率、可靠度等指标做比较。后面每一章的计算题，本质上都是把具体问题转化成这些指标。

优化高频路径最划算。哪一部分占总时间比例越大，优化它对总性能的影响越明显。

加速比受可改进部分比例限制。可并行部分少时，处理器数量再多也不会得到理想加速。

从 IC、CPI、时钟周期时间三个量拆解 CPU 时间，方便定位优化来自哪里。

时间局部性和空间局部性是 Cache、预取、存储层次能有效工作的基础。

CPU 时间 = IC × CPI × 时钟周期时间

Amdahl 加速比 = 1 / ((1 - f) + f / s)

第一轮看地图。先通读总览，知道每章在系统中解决哪个瓶颈，不急着背细节。

第二轮抓计算。集中做流水线性能、Cache 平均访问时间、可靠度、互联网络寻径、多处理器 Amdahl/CPI。

第三轮补概念。把容易混的概念放表里对照：吞吐率和响应时间、相关和冲突、写回和写直达、RAID10和RAID01。

考前回到清单。只看每页的“考前抓手”和公式，不再陷入长篇解释。

章节	必会公式	典型题型
基本概念	CPU 时间 = IC x CPI x 时钟周期；Speedup = 1 / ((1 - f) + f / s)	Amdahl 反求比例；平均 CPI；MIPS/MFLOPS。
流水线	Tk = (k + n - 1)Δt；TP = n/Tk；S = T顺序/T流水；E = 有效时空面积/总时空面积	等时/不等时流水线；时空图；非线性调度。
指令级并行	CPI流水线 = CPI理想 + 各类停顿；理想 CPI 约为 1/流出宽度	BHT 状态更新；BTB 延迟；超标量/VLIW/超流水线比较。
存储系统	AMAT = Hit Time + Miss Rate x Miss Penalty；两级 AMAT = H1 + MR1(H2 + MR2P2)	地址字段；Cache 策略；两级 Cache；主存带宽；TLB/脏块写回。
I/O 外存	串联 R = ΠRi；并联 R = 1 - Π(1 - Ri)；Availability = MTTF/(MTTF+MTTR)	可靠度；RAID 小写；RAID10/01 对比。
互联网络	超立方体距离 = 汉明距离；Omega 级数 = log2N；开关数 = (N/2)log2N	互连函数变换；最短路；Omega 寻径。
多处理器	并行加速比 = 1 / ((1 - f) + f / p)；CPI = 本地 CPI + 通信/同步停顿	并行上限；远程访问；MSI 状态；同步开销。