計算機系統(tǒng)結構第1章

1、1 計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構 主講：主講：任國林任國林 EmailEmail： 2 引引 言言 一、一、計算機系統(tǒng)的性能與結構計算機系統(tǒng)的性能與結構 1 1、計算機系統(tǒng)性能、計算機系統(tǒng)性能 * *系統(tǒng)性能：系統(tǒng)性能：指指在在計算機硬件計算機硬件上上運行的運行的計算機軟件計算機軟件的性能的性能 思考思考-我買我買計算機計算機時，關注什么？可以獲得哪些數據？時，關注什么？可以獲得哪些數據？ * *性能指標：性能指標： 處理處理能力能力響應時間、響應時間、吞吐率吞吐率(MIPS(MIPS或或MFLOPS)MFLOPS)等等 其它能力其它能力正確性、兼容性、正確性、兼容性、RASRAS( (可靠性

2、可靠性/ /可用性可用性/ /可維護性可維護性) )等等 思考：思考：參數參數( (主頻主頻/ /主存容量主存容量/FSB/FSB頻率頻率/ /顯卡顯卡) )與處理能力關系？與處理能力關系？ 思考：思考：品牌與其它能力關系？品牌與其它能力關系？ 思考：思考：我選擇機型及品牌時，如何決策？我選擇機型及品牌時，如何決策？ 3 聯想聯想G40-80（i5 5200U） CPUCPU系列系列IntelIntel酷?？犷5 5i5 5代代內存容量內存容量4GB4GB（4GB4GB1 1） CPUCPU型號型號Intel Intel 酷睿酷睿i5 5200Ui5 5200U內存類型內存類型DDR3DDR

3、3 CPUCPU主頻主頻2.2GHz2.2GHz插槽數量插槽數量2 2SO-DIMM SO-DIMM ( (/ /DIMM)DIMM) 最高睿頻最高睿頻2700MHz2700MHz最大內存容量最大內存容量 16GB16GB 三級緩存三級緩存4MB4MB硬盤容量硬盤容量500GB 500GB (+(+固態(tài)固態(tài)HDHD) ) 總線規(guī)格總線規(guī)格DMI DMI 5GT/s5GT/s顯卡芯片顯卡芯片AMD AMD RadeonRadeon R5 M230 R5 M230 核心架構核心架構Broad wellBroad well顯存容量顯存容量2GB2GB 核心核心/ /線程數線程數雙核心雙核心/ /四線

4、程四線程顯存類型顯存類型DDR3DDR3 制程工藝制程工藝14nm14nm顯存位寬顯存位寬64bit64bit 指令集指令集AVX2AVX2，64bit64bit流處理器數量流處理器數量 320320 功耗功耗15W15WDirect XDirect X11.211.2 I/OI/O接口接口USBUSB、VGAVGA、HDMIHDMI、RJ45 RJ45 ( (內部內部PCI-E/S-ATA)PCI-E/S-ATA) 計算機硬件參數計算機硬件參數 DMIDMI直接媒體接口直接媒體接口( (Direct Media Interface) )，GT/sGT/s千兆次傳輸千兆次傳輸/ /秒秒 AVX

5、AVX高級矢量擴展高級矢量擴展( (Advanced Vector Extensions)，是是SSE(SSE(流式流式SIMDSIMD擴展擴展) )的擴展的擴展 4 2 2、計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)結構結構 * *計算機計算機換代換代標志：標志：器件、技術、結構等的飛躍器件、技術、結構等的飛躍 * *系統(tǒng)效率與結構關聯：系統(tǒng)效率與結構關聯： 系統(tǒng)系統(tǒng)效率效率 器件器件效率效率結構結構效率效率 例：例：1965196519751975年，系統(tǒng)效率提高年，系統(tǒng)效率提高100100倍，器件速度僅提高倍，器件速度僅提高1010倍；倍； Pentium-Pentium-200200、P-P-233233的

6、的iCOMPiCOMP 2.0 2.0分別為分別為142142、267267 ( (iCOMPiCOMPintel COmparative Microprocessor Performance，Intel微處理器性能比較指數微處理器性能比較指數) ) * *系統(tǒng)結構研究內容：系統(tǒng)結構研究內容： 劃分軟劃分軟/ /硬件功能界面，研究新的硬件功能界面，研究新的結構與技術結構與技術 思考思考-我設計某計算機系統(tǒng)時，如何劃分軟我設計某計算機系統(tǒng)時，如何劃分軟/ /硬件界面？硬件界面？ 如何組織硬件功能？如何評價所設計方案？如何組織硬件功能？如何評價所設計方案？ （本課程的主要內容）（本課程的主要內容）

7、 5 二、課程目標二、課程目標 1、課程目標、課程目標 (1)(1)計算機系統(tǒng)結構的研究計算機系統(tǒng)結構的研究 掌握系統(tǒng)結構掌握系統(tǒng)結構的概念、內容的概念、內容及設計原理；及設計原理； 掌握系統(tǒng)結構相關內容的技術、分析及優(yōu)化設計方法；掌握系統(tǒng)結構相關內容的技術、分析及優(yōu)化設計方法； 了解系統(tǒng)結構的性能設計原理及最新了解系統(tǒng)結構的性能設計原理及最新技術技術 (2)(2)計算機并行處理技術的研究計算機并行處理技術的研究 流水線技術的分析及設計；流水線技術的分析及設計； 互連網絡互連網絡技術分析；技術分析； 并行處理機及多處理機技術并行處理機及多處理機技術分析分析 6 2 2、課程學習方法、課程學習方

8、法 (1)(1)從從系統(tǒng)設計者系統(tǒng)設計者角度，角度，分析和評價系統(tǒng)分析和評價系統(tǒng)結構結構 掌握系統(tǒng)結構相關內容對系統(tǒng)性能的掌握系統(tǒng)結構相關內容對系統(tǒng)性能的影響影響； 掌握系統(tǒng)結構相關內容的掌握系統(tǒng)結構相關內容的性能分析方法性能分析方法 (2)(2)通過通過剖析剖析PCPC機相關機相關技術技術，掌握系統(tǒng)結構設計，掌握系統(tǒng)結構設計方法方法 掌握系統(tǒng)結構基本內容的掌握系統(tǒng)結構基本內容的相關技術相關技術及及設計方法設計方法； 掌握系統(tǒng)結構掌握系統(tǒng)結構優(yōu)化設計優(yōu)化設計及及并行處理技術并行處理技術 系統(tǒng)系統(tǒng)結構的分析、設計和優(yōu)化結構的分析、設計和優(yōu)化方法方法是本課程的重點！是本課程的重點！ 3 3、參考教

9、材、參考教材 1計算機系統(tǒng)結構教程計算機系統(tǒng)結構教程( (第第3 3版版) )，張晨曦等張晨曦等，清華大學出版社，清華大學出版社 2計算機系統(tǒng)結構：一種定量的方法計算機系統(tǒng)結構：一種定量的方法( (第第2 2版版) )，鄭緯民鄭緯民等譯，等譯， 清華大學出版社清華大學出版社 7 第一章第一章 系統(tǒng)結構基礎系統(tǒng)結構基礎 8 第第1 1節(jié)節(jié) 系統(tǒng)結構的基本概念系統(tǒng)結構的基本概念 一、一、計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構 軟硬件軟硬件 交界面交界面 L6L6：應用語言級：應用語言級 L5L5：高級語言級：高級語言級 L4L4：匯編語言級：匯編語言級 L3L3：操作系統(tǒng)級：操作系統(tǒng)級 L2L2

10、：機器語言級：機器語言級 L1L1：微程序機器級：微程序機器級 L0L0：電子線路：電子線路 硬件硬件 固件固件 軟件軟件 虛擬機器虛擬機器實際機器實際機器 翻譯（應用程序包）翻譯（應用程序包） 翻譯（編譯程序）翻譯（編譯程序） 翻譯（匯編程序）翻譯（匯編程序） 解釋解釋 硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行 部分解釋部分解釋 計算機語言實現技術計算機語言實現技術 9 二、二、計算機系統(tǒng)的設計思路計算機系統(tǒng)的設計思路 * *由由上向下上向下方法：方法：軟件軟件硬件硬件，適合專用機的，適合專用機的設計設計 特點特點周期長周期長( (好幾年好幾年) )，忌，忌需求變化需求變化， 不能利用不能利用最新軟件技術最

11、新軟件技術 形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié) * *由由下向上下向上方法：方法：硬件硬件軟件軟件，適合通用機的設計，適合通用機的設計 特點特點周期長周期長( (好幾年好幾年) )，不能利用，不能利用最新硬件技術最新硬件技術， 軟件效率軟件效率低低 形成形成軟、硬脫節(jié)軟、硬脫節(jié) * *從從中間開始中間開始方法：方法：首先設計軟首先設計軟/ /硬件交界面硬件交界面 特點特點周期短周期短( (約約1/2)1/2)，能夠利用能夠利用最新軟、硬件技術最新軟、硬件技術 主流設計方法主流設計方法 要求要求不斷不斷進行交互、優(yōu)化進行交互、優(yōu)化設計設計 需好的需好的評價評價工具及方法工具及方法 設計人員技術要全面設

12、計人員技術要全面 10 三、三、計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)結構的概念結構的概念 * *問題問題：不同語言層次的程序員，看到的系統(tǒng)不同語言層次的程序員，看到的系統(tǒng)結構不同！結構不同！ 1 1、系統(tǒng)結構定義、系統(tǒng)結構定義 (1)(1)基本定義基本定義 程序員程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結構和功能特性所看到的計算機的屬性，即概念性結構和功能特性 (2)(2)精確定義精確定義 -Amdahl-Amdahl提出提出 機器語言程序員機器語言程序員或或編譯程序編寫者編譯程序編寫者所看到的計算機的所看到的計算機的屬性屬性 概念性結構概念性結構 功能特性功能特性 系統(tǒng)軟系統(tǒng)軟、硬件功能、硬件功能界面的組成界面

13、的組成 界面功能的分配或組織界面功能的分配或組織 ( (其上用軟件實現、其下用硬件實現其上用軟件實現、其下用硬件實現) ) * *實質：實質：研究研究軟、硬件間的軟、硬件間的界面定義界面定義及及其上下的功能分配其上下的功能分配 11 2 2、系統(tǒng)、系統(tǒng)結構結構的研究內容的研究內容 CPUCPU 鍵盤接口鍵盤接口 鍵盤鍵盤 顯卡顯卡 顯示器顯示器 MEMMEM 磁盤接口磁盤接口 磁盤磁盤 機器語言級機器語言級 機器機器 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 程序員看到程序員看到 的屬性的屬性 進程管理程序進程管理程序 作業(yè)管理程序作業(yè)管理程序文件管理程序文件管理程序 存儲管理程序存儲管理程序 設備管理程序設備管理程

14、序 信息保護信息保護 操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級 機器機器 注：注：作業(yè)管作業(yè)管 理含理含用戶用戶界界 面操作處理面操作處理 輸入設備觸發(fā)程序執(zhí)行輸入設備觸發(fā)程序執(zhí)行 回下頁回13頁 * *相鄰兩級相鄰兩級機器的機器的關聯：關聯： 12 數據數據表示表示硬件能直接識別和處理的硬件能直接識別和處理的數據類型數據類型 尋址方式尋址方式最小尋址單元、最小尋址單元、尋址種類及規(guī)則尋址種類及規(guī)則( (地址運算地址運算) ) 寄存器寄存器組織組織寄存器的種類、數量和使用方式寄存器的種類、數量和使用方式 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)機器指令的類型、格式，指令間排序及機器指令的類型、格式，指令間排序及控制控制 * *系統(tǒng)結構的

15、研究內容：系統(tǒng)結構的研究內容： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 程序員程序員看看 到到的屬性的屬性 信息保護信息保護 機器狀態(tài)機器狀態(tài) 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)主存主存編址單位、可編址空間，容量等編址單位、可編址空間，容量等 I/O I/O結構結構I/OI/O設備連接方式、數據設備連接方式、數據傳送傳送方式及格式、方式及格式、I/OI/O操作操作 狀態(tài)狀態(tài)表示表示等等 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷的類型、中斷響應的硬件功能中斷的類型、中斷響應的硬件功能等等 機器機器工作狀態(tài)定義和切換工作狀態(tài)定義和切換系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài)/ /用戶態(tài)的組織與用戶態(tài)的組織與管理管理 信息信息保護

16、保護保護方式、硬件支持保護方式、硬件支持等等 轉上頁 13 轉10頁 3 3、結構與組成及實現的關系、結構與組成及實現的關系 * *計算計算機組機組成：成：計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的設計人員的設計人員看到的基本看到的基本屬性屬性 研究研究內容內容數據數據通路寬度、專用部件設計通路寬度、專用部件設計、功能部件、功能部件并行度、并行度、 控制機構控制機構組成、組成、排隊與緩沖技術、預估與預判技術、可靠性技術排隊與緩沖技術、預估與預判技術、可靠性技術等等 實質實質系統(tǒng)結構的邏輯實現系統(tǒng)結構的邏輯實現 （合理實現（合理實現分配給硬件的分配給硬件的功能）功能） * *計算機實現：計算機實現：計算機實現時的基

17、本屬性計算機實現時的基本屬性 實質實質計算計算機組成的物理機組成的物理實現實現 ( (研究器件與微組裝技術研究器件與微組裝技術) ) 例例： 系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構 計算機組成計算機組成 計算機計算機實現實現 乘法功能乘法功能 是否有乘法指令是否有乘法指令 乘法器乘法器/ /加法加法+ +移位移位 芯片機電路芯片機電路 主存系統(tǒng)主存系統(tǒng) 容量、編址方式容量、編址方式 速度、措施速度、措施 器件、電路器件、電路 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 帶寬、時延帶寬、時延 線數、傳輸控制線數、傳輸控制 介質、線距介質、線距 * *結構、組成、實現的關系結構、組成、實現的關系： 1 : n1 : n 1 : 1 : m m

18、結構結構 組成組成 實現實現 14 四、四、系統(tǒng)結構的分類系統(tǒng)結構的分類 1 1、弗林分類法、弗林分類法 * *分類原理：分類原理：按按指令流指令流和和數據流數據流的的多倍性分類多倍性分類 * *類型：類型：SISDSISD、SIMDSIMD、MISDMISD、MIMDMIMD SISD CUMM IS IS PU DS SIMD CU MMm DS1 IS IS MM1 PUn DSn PU1 MISD DSIS1IS1 ISn DSISn MMm MM1PU1 PUn CU1 CUn MIMD DS1IS1IS1 ISn DSnISn MMm MM1PU1 PUn CU1 CUn * *特

19、點：特點：性能依次提高，性能依次提高，對流水線處理機分類不對流水線處理機分類不明確明確 15 2 2、漢德勒分類法、漢德勒分類法 * *分類原理：分類原理：在在3 3個層次，按個層次，按并行程度及并行程度及流水處理流水處理程度程度分類分類 層次層次 PCUPCU（處理器或宏流水）（處理器或宏流水） K K級級 ALUALU（算邏部件或指令流水）（算邏部件或指令流水） D D級級 BLCBLC（位級電路或操作流水）（位級電路或操作流水） W W級級 描述描述 T(C) T(C)K 其中：其中：K K為為PCUPCU數、數、K K為宏流水級數為宏流水級數(PCU(PCU數數) )，K KK K D

20、 D為每個為每個PCUPCU中中ALUALU數、數、D D為指令流水級數為指令流水級數(ALU(ALU數數) )， W W為為ALUALU或或PEPE字長，字長，W W為操作流水線級數為操作流水線級數(ELC(ELC套數套數) ) * *特點：特點：對并行及流水線的程度有清晰的描述對并行及流水線的程度有清晰的描述 注：注：流水屬并行的一種類型，但有所不同；流水屬并行的一種類型，但有所不同； 并行程度越好，性能越高并行程度越好，性能越高 16 3 3、按控制方式、按控制方式分類分類 * *分類原理：分類原理：按程序執(zhí)行的控制方式分類按程序執(zhí)行的控制方式分類 * *分類結果：分類結果：共有共有4

21、4種類型種類型 控制流控制流方式方式指令按邏輯順序指令按邏輯順序執(zhí)行執(zhí)行( (如馮如馮諾依曼模型諾依曼模型) ) 數據流數據流方式方式只要操作數到位，指令即可執(zhí)行，只要操作數到位，指令即可執(zhí)行， 指令無序指令無序執(zhí)行執(zhí)行(，源，源目的求解過程目的求解過程) ) 規(guī)約規(guī)約方式方式當需要該指令結果時當需要該指令結果時，指令，指令才會執(zhí)行，才會執(zhí)行， 指令無序指令無序執(zhí)行執(zhí)行(，目的，目的源源目的求解過程目的求解過程) ) 匹配方式匹配方式由謂詞由謂詞模式匹配，驅動模式匹配，驅動指令的指令的執(zhí)行執(zhí)行 ( (適合適合非數值型數據應用非數值型數據應用，如智能型計算機，如智能型計算機) ) * *特點：特

22、點：除控制流方式外，除控制流方式外，其它方式并行其它方式并行程度較好程度較好 17 五、五、系統(tǒng)結構的設計步驟系統(tǒng)結構的設計步驟 1 1、需求分析、需求分析 分析范圍包括：應用分析范圍包括：應用環(huán)境、所用語言種類及特性、對環(huán)境、所用語言種類及特性、對OSOS的的 特殊要求、所用外設特性、技術經濟指標、市場分析特殊要求、所用外設特性、技術經濟指標、市場分析等等 2 2、需求說明、需求說明 形成形成、功能說明、器件性能說明、功能說明、器件性能說明等等 造價造價/ /可靠性可靠性/ /可擴展性可擴展性/ /兼容性兼容性/ /速度等方面的原則速度等方面的原則 3 3、概念性設計、概念性設計 進行軟、硬

23、件功能分析，確定機器級進行軟、硬件功能分析，確定機器級界面界面 4 4、具體設計、具體設計 機器級界面各方面的確切定義，可考慮幾種機器級界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案方案 5 5、反復進行評價及優(yōu)化設計、反復進行評價及優(yōu)化設計 18 第第2 2節(jié)節(jié) 定量分析基礎定量分析基礎 一、一、計算機的性能指標計算機的性能指標 回22頁 * *計算機的性能計算機的性能：正確性、工作能力、可靠性正確性、工作能力、可靠性 正確性正確性指與數學計算結果的一致性，默認是正確的指與數學計算結果的一致性，默認是正確的 工作能力工作能力指系統(tǒng)的速度，分為峰值性能、持續(xù)性能指系統(tǒng)的速度，分為峰值性能、持續(xù)性能 響應

24、時間：響應時間：指指任務從輸入到結果輸出任務從輸入到結果輸出的的總時間總時間， 反映反映CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)及系統(tǒng)及OSOS等的總體等的總體性能性能 吞吞 吐吐 率：率：指單位時間內能處理的指單位時間內能處理的作業(yè)或任務數量作業(yè)或任務數量， 反映系統(tǒng)的多任務處理性能反映系統(tǒng)的多任務處理性能 可靠性可靠性用平均無故障時間用平均無故障時間(MTTF)(MTTF)表示，影響價格表示，影響價格 可用性可用性=MTTF/(MTTF+MTRF)=MTTF/(MTTF+MTRF)，MTRFMTRF為平均修復時間為平均修復時間 19 1 1、響應時間、響應時間 * *定義：定義：指指一個任務從輸入到

25、輸出的總時間一個任務從輸入到輸出的總時間 T T響應 響應 T TCPU CPU T T其它 其它， ，T TCPU CPU T T系統(tǒng) 系統(tǒng)CPUCPU T T用戶 用戶CPUCPU I IN NCPICPIT TC C， CPICPI包含包含ALUALU、訪問、訪問MEMMEM及及I/OI/O端口時間端口時間 性能因子性能因子 系統(tǒng)屬性系統(tǒng)屬性 I IN Np pm mk kT TC C 指令系統(tǒng)結構指令系統(tǒng)結構 編譯技術編譯技術 PEPE實現與控制技術實現與控制技術 CacheCache和內存層次結構和內存層次結構 * *特點：特點：能夠反映軟硬件系統(tǒng)的能夠反映軟硬件系統(tǒng)的總體性能總體性

26、能，但不易測量，但不易測量 * *影響影響CPICPI的的因素：因素： T TCPU CPU I IN NCPICPIT TC CI IN N(p(pm mk k) )T TC C 其中，其中，p p處理時延處理時延/ /指令，指令，mm訪存次數訪存次數/ /指令，指令，kk訪存時延訪存時延 20 2 2、吞吐率、吞吐率 * *定義：定義：指單位時間內能夠指單位時間內能夠處理的任務數量處理的任務數量 T TP P n nn n個任務總時間個任務總時間 * *常用標準：常用標準：對任務的對任務的定義無法統(tǒng)一定義無法統(tǒng)一 MIPS( MIPS(每秒百萬次指令每秒百萬次指令)-)- 66 C 6 1

27、0CPI10TCPI 1 10 MIPS 時鐘頻率 程序執(zhí)行時間 程序中指令條數 MIPSMIPS不能反映指令功能強弱，常用相對不能反映指令功能強弱，常用相對MIPSMIPS表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百萬次浮點運算每秒百萬次浮點運算) 6 10 MFLOPS 程序執(zhí)行時間 程序中浮點操作次數 MFLOPS MFLOPS僅僅反映反映浮點操作浮點操作能力，能力，不同不同OPOP用正則化法關聯用正則化法關聯 * *特點：特點：吞吐率與吞吐率與I/OI/O軟硬件軟硬件組織、組織、OSOS關系密切；關系密切； 能夠反映能夠反映軟硬件系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)對對多任務多任務的響應能力的響應能力 2

28、1 4 4、系統(tǒng)可擴放性、系統(tǒng)可擴放性 * *適用范圍：適用范圍：多多( (處理處理) )機系統(tǒng)的并行處理能力評價機系統(tǒng)的并行處理能力評價 衡量方法衡量方法-測量不同測量不同n時的加速比，時的加速比， 得到性能可擴放性曲線得到性能可擴放性曲線 * *性能加速比性能加速比：系統(tǒng)性能相對系統(tǒng)性能相對于單機于單機系統(tǒng)的提高比例系統(tǒng)的提高比例 S(p,n)=T(p,1)/T(p,n)+h(p,n) 其中，其中，p-問題規(guī)模，問題規(guī)模，n-處理器數量，處理器數量，h-通信時間通信時間 * *系統(tǒng)可擴放性：系統(tǒng)可擴放性：系統(tǒng)性能隨處理機數系統(tǒng)性能隨處理機數n n的的增長比例，增長比例，S=f (n) 影響

29、因素影響因素結構、處理器數、問題規(guī)模、存儲系統(tǒng)等結構、處理器數、問題規(guī)模、存儲系統(tǒng)等 S S n n 1 1 B B系統(tǒng)系統(tǒng) A A系統(tǒng)系統(tǒng) 3 3、利用率、利用率 * *定義：定義：利用率持續(xù)性能利用率持續(xù)性能峰值峰值性能性能 * *特點：特點：不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標有密切關系；不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標有密切關系； 對系統(tǒng)性能優(yōu)化及結構改進起著至關重要的作用！對系統(tǒng)性能優(yōu)化及結構改進起著至關重要的作用！ 22 二、性能評測技術二、性能評測技術 1 1、分析技術、分析技術 * *思路思路：一定假設條件下，系統(tǒng)參數與性能指標間存在函數一定假設條件下，系統(tǒng)參數與性能指標間存在函數

30、 關系，按其工作負載的驅動條件列出方程，用數學方法求解關系，按其工作負載的驅動條件列出方程，用數學方法求解 * *發(fā)展發(fā)展：用近似求解代替脫離用近似求解代替脫離實際的實際的假設，假設， 算法有聚合算法有聚合法、均值分析法、擴散法等法、均值分析法、擴散法等 * *應用：應用：可應用于可應用于設計中系統(tǒng)設計中系統(tǒng)的分析與評價的分析與評價 例例A A機執(zhí)行的程序中有機執(zhí)行的程序中有20%20%轉移指令轉移指令( (需需2T2TC C) )，轉移指令均需一轉移指令均需一條條 比較指令比較指令( (需需1T1TC C) )配合，其他指令均為配合，其他指令均為1T1TC C。B B機中機中轉移指令包含轉移

31、指令包含比較比較指指 令功能，令功能，但但T TC C比比A A機慢機慢15%15%。A A機、機、B B機執(zhí)行該程序時，哪個工作速度快？機執(zhí)行該程序時，哪個工作速度快？ 解解T TCPUA CPUA= =I INANA (0.2(0.22+0.22+0.21+0.61+0.61)1)T TCA CA=1.2 =1.2 I INA NA T TCA CA ， ， T TCPUB CPUB= =0.8I 0.8INA NA (0.2/0.8)(0.2/0.8)2+(1- 0.2/0.8)2+(1- 0.2/0.8)1)1)1.151.15T TCA CA=I =INA NA T TCA CA 故

32、故B B機比機比A A機快機快 23 2 2、模擬、模擬技術技術 * *思路：思路：建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型、工作模型、工作負載模型，負載模型， 對運行后的數據進行統(tǒng)計、分析和評價對運行后的數據進行統(tǒng)計、分析和評價 * *方法：方法： 建立建立系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型( (按被評價系統(tǒng)的運行特性按被評價系統(tǒng)的運行特性) )； 建立建立工作負載工作負載模型模型( (按被評價系統(tǒng)可能的工作負載特性按被評價系統(tǒng)可能的工作負載特性) )； 編寫編寫模擬程序模擬程序，模仿模仿( (在被在被評價評價系統(tǒng)上系統(tǒng)上) )運行運行； 設計設計模擬實驗模擬實驗( (依照依照評價評價目標、選擇相

33、關因素目標、選擇相關因素) )，得出實驗值，得出實驗值， 再進行再進行統(tǒng)計、分析統(tǒng)計、分析 * *應用：應用：可應用于可應用于設計設計中系統(tǒng)中系統(tǒng)的分析與評價；的分析與評價； 可與分析技術相結合，構成一個混合系統(tǒng)可與分析技術相結合，構成一個混合系統(tǒng) 注意：注意：分析和模擬分析和模擬技術的結果，均技術的結果，均須通過測量技術須通過測量技術驗證驗證 24 3 3、測量、測量技術技術 * *思路思路：采用采用基準測試基準測試程序，對系統(tǒng)性能進行實際測量程序，對系統(tǒng)性能進行實際測量 * *基準測試程序：基準測試程序： 測試程序種類測試程序種類實際實際應用程序、核心程序、合成測試應用程序、核心程序、合成

34、測試程序程序 第一第一個個層次：層次：用于用于測試系統(tǒng)總體性能；測試系統(tǒng)總體性能； 后后兩個兩個層次：層次：用于用于測試部件測試部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)等系統(tǒng)等) )性能性能 基準測試程序基準測試程序包含三包含三個層次的個層次的測試程序組測試程序組，典型的有，典型的有 SPECSPEC程序組程序組，包含測試，包含測試多多個領域個領域、三個層次的測試程序、三個層次的測試程序 * *應用：應用：只能應用于只能應用于實際使用中系統(tǒng)實際使用中系統(tǒng)的分析與評價；的分析與評價； 通常根據系統(tǒng)的設計需求通常根據系統(tǒng)的設計需求( (應用領域應用領域) )選擇基準測試選擇基準測試 程序組中的

35、程序組中的部分測試程序部分測試程序進行測量進行測量 25 三、性能三、性能設計定量原理設計定量原理 1 1、大概率事件優(yōu)先原則、大概率事件優(yōu)先原則 * *基本思想：基本思想：對大概率對大概率事件，賦予優(yōu)先處理事件，賦予優(yōu)先處理權和資源使用權權和資源使用權, , 以獲得全局的最優(yōu)結果以獲得全局的最優(yōu)結果 該原則是系統(tǒng)設計中該原則是系統(tǒng)設計中最重要最重要和和最常用最常用的原則的原則 * *應用舉例：應用舉例： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令操作碼采用霍夫曼指令操作碼采用霍夫曼編碼編碼 程序執(zhí)行程序執(zhí)行使高頻指令的使高頻指令的CPICPI較小較小 溢出處理溢出處理優(yōu)化不溢出情況的優(yōu)化不溢出情況的處理處理 存儲

36、系統(tǒng)存儲系統(tǒng)采用采用層次結構，虛存的層次結構，虛存的TLBTLB由高速由高速SRAMSRAM組成組成 26 2 2、阿姆達爾（、阿姆達爾（AmdahlAmdahl）定律）定律 * *思想思想：優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于 該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例 eeee rffT T p S /)1 ( 10 改進后運行時間 改進前運行時間 * *應用：應用：使用該使用該定律，可發(fā)現定律，可發(fā)現“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸” 方法方法改善某部件性能后，系統(tǒng)的性能急劇提高改善某部件性能后，系統(tǒng)的性能急

37、劇提高 * *舉例：舉例：某功能處理時間占系統(tǒng)時間的某功能處理時間占系統(tǒng)時間的40%40%，將其處理速度加，將其處理速度加 快快1010倍后，整個系統(tǒng)性能提高多少？倍后，整個系統(tǒng)性能提高多少？ 解解已知已知f fe e=0.4=0.4，r re e=10=10，利，利 用用AmdahlAmdahl定律，則定律，則 S Sp p=1.56=1.56 0.00.51.0 fe Sp 10 1 5 r re e=10=10時時S Sp p和和f fe e的關系如右圖：的關系如右圖： 27 3 3、程序訪問局部性原理、程序訪問局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序執(zhí)行時，呈現出頻繁重復使用那些程序

38、執(zhí)行時，呈現出頻繁重復使用那些“簇聚簇聚” 的數據和指令的規(guī)律，包含的數據和指令的規(guī)律，包含時間局部性和空間局部性時間局部性和空間局部性 時間局部性時間局部性-近期近期被訪問的信息，被訪問的信息，可能很快被可能很快被訪問訪問 空間局部性空間局部性-被訪問信息的相鄰信息，可能很快被被訪問信息的相鄰信息，可能很快被訪問訪問 例例 for for ( (intint i i=0; =0; i i100; 100; i i+) Sum +) Sum = Sum + A= Sum + Ai i; * *應用應用：層次層次存儲體系存儲體系設計、緩沖器組織設計、緩沖器組織 5 5、軟硬件取舍原則、軟硬件取舍

39、原則 現有現有軟硬件條件下軟硬件條件下，所選方法有助于，所選方法有助于提高系統(tǒng)的提高系統(tǒng)的性性/ /價價； 所選方法盡量所選方法盡量不限制不限制計算機組成和實現技術；計算機組成和實現技術； 所選方法能夠對編譯程序所選方法能夠對編譯程序和和操作系統(tǒng)提供操作系統(tǒng)提供好的好的支持支持 4 4、充分利用并行原則、充分利用并行原則 * *基本思想：基本思想：t0t0t1t1tntnmaxmaxt0,t1,t0,t1,tntn 28 第第3 3節(jié)節(jié) 計算機系統(tǒng)結構發(fā)展計算機系統(tǒng)結構發(fā)展 一、一、馮馮諾依曼諾依曼結構及其改進結構及其改進 1 1、計算機模型、計算機模型 * *結構與組成：結構與組成：5 5大

40、部件，以運算器為中心大部件，以運算器為中心 * *數據表示與運算：數據表示與運算：指令指令/ /數據表示、運算均用數據表示、運算均用二進制二進制方式方式 * *存儲器結構：存儲器結構：由由定長單元定長單元構成的構成的一維一維空間，空間，按地址按地址訪問訪問 回下頁 * *存儲程序工作方式：存儲程序工作方式： 程序存儲程序存儲指令指令及及數據數據預先存放預先存放在在存儲器存儲器中中 程序控制程序控制按程序按程序邏輯順序邏輯順序，自動、逐條自動、逐條取出指令并執(zhí)行取出指令并執(zhí)行 2 2、性能瓶頸、性能瓶頸 CPU-MEMCPU-MEM訪問瓶頸：訪問瓶頸：CPUCPU高頻率、用邏輯地址訪問高頻率、用

41、邏輯地址訪問MEMMEM 指令串行執(zhí)行瓶頸：指令串行執(zhí)行瓶頸：無法利用軟硬件的并行處理能力無法利用軟硬件的并行處理能力 29 3 3、結構改進、結構改進 ( (系統(tǒng)結構的任務系統(tǒng)結構的任務) ) 轉上頁 * *改進改進I/OI/O方式：方式：采用中斷方式、采用中斷方式、DMADMA方式方式( (實現以實現以MEMMEM為中心為中心) )， 改進總線改進總線( (增加寬度、總線級數增加寬度、總線級數) ) * *改進存儲器：改進存儲器：采用層次結構采用層次結構( (降低降低T TA A) )、哈弗結構、哈弗結構( (支持流水線支持流水線) )， 采用多體交叉采用多體交叉MEMMEM( (提高帶寬

42、提高帶寬) )， 采用虛擬采用虛擬MEMMEM( (利于多線程、軟件規(guī)模、利于多線程、軟件規(guī)模、MEMMEM利用率利用率) ) * *優(yōu)化優(yōu)化CPUCPU性能：性能：采用流線水、多采用流線水、多( (線程線程/ /核核)CPU)CPU等技術，等技術， 采用數據流技術采用數據流技術( (處理并行性中的沖突處理并行性中的沖突) ) * *改進指令系統(tǒng)：改進指令系統(tǒng)：采用采用RISCRISC技術技術( (利于并行處理利于并行處理) )， 增加新數據表示增加新數據表示/ /指令指令( (提高軟件性能提高軟件性能) ) 30 二、影響系統(tǒng)結構發(fā)展的相關因素二、影響系統(tǒng)結構發(fā)展的相關因素 1 1、軟件對系

43、統(tǒng)結構發(fā)展的影響、軟件對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響 * *影響因素：影響因素：軟件可移植性軟件可移植性 (1)(1)系列機系列機 * *思想：思想：具有相同系統(tǒng)結構或擴充原系統(tǒng)結構，采用不同的具有相同系統(tǒng)結構或擴充原系統(tǒng)結構，采用不同的 組成或實現技術，來實現軟件可移植性組成或實現技術，來實現軟件可移植性 * *解決方法：解決方法：通常通常有三種有三種 回下頁 機器語言級機器語言級 高級語言級高級語言級 微程序級微程序級 目標機目標機 機器語言級機器語言級 高級語言級高級語言級 微程序級微程序級 宿主機宿主機 統(tǒng)一機器語言統(tǒng)一機器語言 統(tǒng)一高級語言統(tǒng)一高級語言 解釋機器語言解釋機器語言 宿主機上解釋程

44、序宿主機上解釋程序 目標機目標機機器語言機器語言 31 * *影響影響1 1：使得新的組成與實現技術很快得到應用，大量兼容使得新的組成與實現技術很快得到應用，大量兼容 產品的出現，產品的出現，推動推動了系統(tǒng)結構的發(fā)展了系統(tǒng)結構的發(fā)展 對系列對系列機的要求機的要求保證保證向后兼容向后兼容，力爭，力爭向上兼容向上兼容！ 軟件軟件兼容兼容種類種類向上向上/ /向下向下、向前、向前/ /向后向后 發(fā)布時間發(fā)布時間 機器檔次機器檔次 當前機器當前機器( (如如P4P4) ) 向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 (如小型機如小型機)高高 向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 20052005年年 200620

45、06年年 20092009年年 (如嵌入式系統(tǒng)如嵌入式系統(tǒng))低低 * *影響影響2 2：為保持軟件兼容性，要求系統(tǒng)結構基本不變，為保持軟件兼容性，要求系統(tǒng)結構基本不變，限制限制 了系統(tǒng)結構的發(fā)展了系統(tǒng)結構的發(fā)展 轉上頁 32 * *影響影響：對系統(tǒng)對系統(tǒng)結構的發(fā)展結構的發(fā)展無限制無限制， 模擬模擬/ /仿真后系統(tǒng)性能不佳仿真后系統(tǒng)性能不佳 (2)(2)模擬與仿真模擬與仿真 * *模擬：模擬：用用機器語言程序機器語言程序解釋解釋來實現軟件移植來實現軟件移植 需模擬目標機指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、需模擬目標機指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS等的操作等的操作 * *仿真：仿真：用用微程

46、序微程序直接解釋另一種指令系統(tǒng)直接解釋另一種指令系統(tǒng) 需解釋目標機需解釋目標機I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS等的操作等的操作 * *比較比較：不同不同解釋程序的語言及存放解釋程序的語言及存放位置位置、硬件是否參與、硬件是否參與 相同相同解釋解釋指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS 33 (3)(3)統(tǒng)一統(tǒng)一高級語言高級語言 存在一定困難，可爭取匯編語言或接口存在一定困難，可爭取匯編語言或接口/ /技術的統(tǒng)一技術的統(tǒng)一 * *影響：影響：對對系統(tǒng)結構的發(fā)展系統(tǒng)結構的發(fā)展無限制無限制， 相關相關功能特性的功能特性的接口要求一致接口要求一致 應用程序應用程序 O

47、SOS內核內核 虛擬機虛擬機VM1VM1 應用程序應用程序 OSOS內核內核 虛擬機虛擬機VMnVMn 虛擬機監(jiān)控器虛擬機監(jiān)控器VMMVMM 物理硬件物理硬件(CPU(CPU、主存、主存、I/OI/O等等) ) * *方案方案1 1：采用采用統(tǒng)一的中間語言統(tǒng)一的中間語言( (如如Java)Java)，通過解釋執(zhí)行以適，通過解釋執(zhí)行以適 應不同的系統(tǒng)結構應不同的系統(tǒng)結構 * *方案方案2 2：采用標準的采用標準的開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)( (具有可移植性、交互操作性具有可移植性、交互操作性) )， 用用硬件抽象層技術硬件抽象層技術適應不同的系統(tǒng)結構適應不同的系統(tǒng)結構 * *應用對系統(tǒng)結構設計的影響：應用

48、對系統(tǒng)結構設計的影響： 設計方法設計方法選擇專用結構、通用結構選擇專用結構、通用結構 影響因素影響因素性能、價格需求性能、價格需求( (開發(fā)費用開發(fā)費用+ +生產費用生產費用) ) 技術進步影響比例技術進步影響比例 34 2 2、應用對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響、應用對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響 * *應用需求：應用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *應用領域對系統(tǒng)結構的要求：應用領域對系統(tǒng)結構的要求： 特殊領域特殊領域研究新的系統(tǒng)結構，如巨研究新的系統(tǒng)結構，如巨/ /大型機大型機 一般領域一般領域研究已有系統(tǒng)結構轉化，如通用計算機研究已有系統(tǒng)結構轉化，如通用計算機 * *性能、價格

49、對系統(tǒng)結構的要求：性能、價格對系統(tǒng)結構的要求： 保持保持價格基本不變，提高價格基本不變，提高性能；性能； 保持保持性能基本不變，降低價格性能基本不變，降低價格 價格價格 時間時間 等性能線等性能線 巨型機巨型機 大型機大型機 中、小型機中、小型機 微型機微型機 35 3 3、器件對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響、器件對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響 * *器件使用器件使用方法發(fā)展：方法發(fā)展： 通用片通用片現場現場片片半半用戶用戶片片用戶用戶片片 * *對系統(tǒng)對系統(tǒng)結構的影響結構的影響： 器件發(fā)展器件發(fā)展推動了系統(tǒng)結構與組成技術的發(fā)展推動了系統(tǒng)結構與組成技術的發(fā)展 如如器件性能、使用方法影響系統(tǒng)結構及組成方法，器件性能

50、、使用方法影響系統(tǒng)結構及組成方法， 器件性器件性/ /價提高，使結構、組成下移速度更快，價提高，使結構、組成下移速度更快， 器件的發(fā)展，推動算法、語言的發(fā)展器件的發(fā)展，推動算法、語言的發(fā)展 系統(tǒng)結構的發(fā)展要求器件不斷發(fā)展系統(tǒng)結構的發(fā)展要求器件不斷發(fā)展 如如新結構的使用，取決于器件發(fā)展能否提供可能新結構的使用，取決于器件發(fā)展能否提供可能 提高器件性能提高器件性能/ /價格，要求改變器件邏輯設計價格，要求改變器件邏輯設計方法方法 36 三、系統(tǒng)結構中并行性的發(fā)展三、系統(tǒng)結構中并行性的發(fā)展 1 1、并行性、并行性 指指同同一時刻一時刻或或同同一時段一時段內內完成完成2 2種工作的種工作的特性特性 * *特性：特性：同時性、并發(fā)性同時性、并發(fā)性 (1)(1)并行