高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第1章

1、1高級(jí)高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)2一、課程目標(biāo)一、課程目標(biāo)1.1.并行性理論的研究并行性理論的研究 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型與體系結(jié)構(gòu)；并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型與體系結(jié)構(gòu)； 并行程序設(shè)計(jì)模型與通信模型；并行程序設(shè)計(jì)模型與通信模型； 并行計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)方法；并行計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)方法； 可擴(kuò)展性原理及實(shí)現(xiàn)方法?？蓴U(kuò)展性原理及實(shí)現(xiàn)方法。2.2.并行技術(shù)和結(jié)構(gòu)的研究并行技術(shù)和結(jié)構(gòu)的研究 微處理器并行技術(shù)；微處理器并行技術(shù)； 互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 共享存儲(chǔ)技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)；共享存儲(chǔ)技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)； 分布存儲(chǔ)技術(shù)與可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)；分布存儲(chǔ)技術(shù)與可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)； 通信時(shí)延包容技術(shù)。通信時(shí)延包容技術(shù)。3二、參考

2、教材二、參考教材1 1、并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，陳國(guó)良等著，高等教育出版社，、并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，陳國(guó)良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04ISBN 7-0411558-111558-1，2002.92002.92 2、并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，、并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，David E.CullerDavid E.Culler等著，李曉明等譯，等著，李曉明等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，ISBN 7-111-07888-8ISBN 7-111-07888-8，2002.102002.103 3、可擴(kuò)展并行計(jì)算、可擴(kuò)展并行計(jì)算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，黃鎧、徐志偉著，陸黃鎧、徐志偉著，陸

3、鑫達(dá)鑫達(dá)等譯等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，2000.52000.54 4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一種定量的方法一種定量的方法( (第第5 5版版) )，John L. John L. HennessyHennessy等著，鄭緯民等譯等著，鄭緯民等譯，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，2002.82002.85 5、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( (第二版第二版) )，鄭緯民、湯志忠著鄭緯民、湯志忠著，清華大學(xué)出，清華大學(xué)出版社版社，1998.91998.94第一章第一章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 5第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 一、一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)

4、構(gòu)概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 1 1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)軟硬件軟硬件交界面交界面L6L6：應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)：應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)L5L5：高級(jí)語(yǔ)言級(jí)：高級(jí)語(yǔ)言級(jí)L4L4：匯編語(yǔ)言級(jí)：匯編語(yǔ)言級(jí)L3L3：操作系統(tǒng)級(jí)：操作系統(tǒng)級(jí)L2L2：機(jī)器語(yǔ)言級(jí)：機(jī)器語(yǔ)言級(jí)L1L1：微程序機(jī)器級(jí)：微程序機(jī)器級(jí)L0L0：電子：電子線(xiàn)路線(xiàn)路 硬件硬件固件固件軟件軟件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器翻譯（應(yīng)用程序包）翻譯（應(yīng)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)技術(shù)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)技術(shù)回下頁(yè)62 2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、計(jì)

5、算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法(1)(1)由上向下方法由上向下方法 從軟件到硬件，適合專(zhuān)用機(jī)的設(shè)計(jì)從軟件到硬件，適合專(zhuān)用機(jī)的設(shè)計(jì) 結(jié)果：結(jié)果：形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié)(2)(2)由下向上方法由下向上方法 從硬件到軟件，適合通用機(jī)的設(shè)計(jì)從硬件到軟件，適合通用機(jī)的設(shè)計(jì) 結(jié)果：結(jié)果：形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié)(3)(3)從中間開(kāi)始方法從中間開(kāi)始方法 從從軟、硬件交界面軟、硬件交界面開(kāi)始設(shè)計(jì)開(kāi)始設(shè)計(jì) 要求：要求：不斷進(jìn)行交互、優(yōu)化設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行交互、優(yōu)化設(shè)計(jì) 需要較好的評(píng)價(jià)工具和方法需要較好的評(píng)價(jià)工具和方法轉(zhuǎn)上頁(yè)73 3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 * *精確定義：精確定義：機(jī)器語(yǔ)言程序員、編譯程序編寫(xiě)者機(jī)器語(yǔ)

6、言程序員、編譯程序編寫(xiě)者所看到的計(jì)所看到的計(jì)算機(jī)的算機(jī)的屬性屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟、硬件功能界面；系統(tǒng)的軟、硬件功能界面； 功能特性功能特性界面的功能分配，即界面的接口或組織界面的功能分配，即界面的接口或組織 * *實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：研究研究軟硬件軟硬件之間的界面定義之間的界面定義及及其上下的功能分配其上下的功能分配 * *基本定義：基本定義：程序員程序員所看到的計(jì)算機(jī)的所看到的計(jì)算機(jī)的屬性屬性 * *研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、指令系統(tǒng)，寄存器組織數(shù)據(jù)表示、尋址方式、指令系統(tǒng)，寄存器組織; ; 存儲(chǔ)系統(tǒng)；存儲(chǔ)系統(tǒng)； 中斷機(jī)構(gòu)、

7、中斷機(jī)構(gòu)、I/OI/O結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； 機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護(hù)機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護(hù)回下頁(yè)8CPUCPU鍵盤(pán)接口鍵盤(pán)接口鍵盤(pán)鍵盤(pán)顯卡顯卡顯示器顯示器MEMMEM磁盤(pán)接口磁盤(pán)接口磁盤(pán)磁盤(pán)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器機(jī)器輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)程序員看到程序員看到的屬性的屬性信息保護(hù)信息保護(hù)機(jī)器狀態(tài)機(jī)器狀態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含內(nèi)容示意圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含內(nèi)容示意圖進(jìn)程管理程序進(jìn)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(chǔ)管理程序存儲(chǔ)管理程序設(shè)備管理程序設(shè)備管理程序信息保護(hù)信息保護(hù)操作系統(tǒng)

8、級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器機(jī)器注：注： 作業(yè)管理作業(yè)管理包含用戶(hù)界包含用戶(hù)界面面功能功能轉(zhuǎn)上頁(yè)9 計(jì)算機(jī)組成包含內(nèi)容計(jì)算機(jī)組成包含內(nèi)容數(shù)據(jù)通路寬度、專(zhuān)用部件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通路寬度、專(zhuān)用部件設(shè)計(jì)、各種各種OSOS共享程度、功能部件并行度、控制機(jī)構(gòu)組成方式、排隊(duì)共享程度、功能部件并行度、控制機(jī)構(gòu)組成方式、排隊(duì)與緩沖技術(shù)、預(yù)估與預(yù)判技術(shù)、可靠性技術(shù)等與緩沖技術(shù)、預(yù)估與預(yù)判技術(shù)、可靠性技術(shù)等 * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、物理實(shí)現(xiàn)三者關(guān)系：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、物理實(shí)現(xiàn)三者關(guān)系： 1 1 : n: n 1 1 : : m m 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 物理實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn) * *計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)組成： 定

9、義定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員看到的基本屬性看到的基本屬性 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)邏輯實(shí)現(xiàn)104 4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟(1)(1)需求分析需求分析 在應(yīng)用環(huán)境、所用語(yǔ)言種類(lèi)及特性、對(duì)在應(yīng)用環(huán)境、所用語(yǔ)言種類(lèi)及特性、對(duì)OSOS的特殊要求、所的特殊要求、所用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、市場(chǎng)分析等方面進(jìn)行分析用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、市場(chǎng)分析等方面進(jìn)行分析(2)(2)需求說(shuō)明需求說(shuō)明 形成形成、功能說(shuō)明、器件性能說(shuō)明、功能說(shuō)明、器件性能說(shuō)明等需求等需求(3)(3)概念性設(shè)計(jì)概念性設(shè)計(jì) 進(jìn)行軟、硬件功能分析，確定機(jī)器級(jí)界面進(jìn)行軟、硬件功能分析，確

10、定機(jī)器級(jí)界面(4)(4)具體設(shè)計(jì)具體設(shè)計(jì) 機(jī)器級(jí)界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案機(jī)器級(jí)界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案(5)(5)反復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)反復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)115 5、并行并行體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) * *并行計(jì)算機(jī)并行計(jì)算機(jī)：是是一組相互通信、相互一組相互通信、相互協(xié)作的處理單元，協(xié)作的處理單元， 用以快速求解大型問(wèn)題用以快速求解大型問(wèn)題總線(xiàn)或互連網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)或互連網(wǎng)絡(luò)SMSMSMLMMBNICP/CLMMBNICP/C互連網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)LMMBNICBridgeP/CIOBNICLMMBNICBridgeP/CIOBNIC12 * *并行并行體系結(jié)構(gòu)：體系結(jié)構(gòu)： 由宏體系結(jié)構(gòu)

11、、微體系結(jié)構(gòu)兩部分組成由宏體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)兩部分組成 微體系結(jié)構(gòu)微體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu), ,主要為處理器主要為處理器及其殼的及其殼的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 宏體系結(jié)構(gòu)宏體系結(jié)構(gòu)并行計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點(diǎn)間互連、包括節(jié)點(diǎn)間互連、通信、存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)等方面通信、存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)等方面 * *并行并行體系結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容：體系結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容： 互互 連連結(jié)構(gòu)模型、互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、互連網(wǎng)絡(luò) 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器訪(fǎng)存模型、訪(fǎng)存模型、一致性模型一致性模型(Cache/(Cache/存儲(chǔ)存儲(chǔ)) ) 交交 互互編程模型、編程模型、通信機(jī)構(gòu)、同步機(jī)構(gòu)通信機(jī)構(gòu)、同步機(jī)構(gòu)13二、二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)計(jì)算機(jī)系

12、統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)1 1、FlynnFlynn分類(lèi)法分類(lèi)法 * *分類(lèi)原理：分類(lèi)原理：按按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類(lèi)進(jìn)行分類(lèi) * *結(jié)構(gòu)種類(lèi)：結(jié)構(gòu)種類(lèi)：SISDSISD，SIMDSIMD，MISDMISD，MIMDMIMDSISDCUMMISISPUDSSIMDCUMMmDS1ISISMM1PUnDSnPU1MISDDSIS1IS1ISnDSISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1MIMDDS1IS1IS1ISnDSnISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1 * *缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)流水線(xiàn)處理機(jī)的分類(lèi)不明確對(duì)流水線(xiàn)處理機(jī)的分類(lèi)不明確142 2、HandlerHandler分類(lèi)

13、法分類(lèi)法 * *分類(lèi)原理：分類(lèi)原理：在三個(gè)在三個(gè)層次，層次，按并行程度及按并行程度及流水處理流水處理程度分類(lèi)程度分類(lèi) 層次層次 PCUPCU（程序控制部件或（程序控制部件或宏流水宏流水） K K級(jí)級(jí) ALUALU（算術(shù)邏輯部件（算術(shù)邏輯部件或指令流水或指令流水） D D級(jí)級(jí) ELCELC（基本邏輯線(xiàn)路或（基本邏輯線(xiàn)路或操作流水操作流水） W W級(jí)級(jí) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)并行及流水線(xiàn)的程度有清晰的描述對(duì)并行及流水線(xiàn)的程度有清晰的描述 注：注：流水屬并行的一種類(lèi)型，但有所不同；流水屬并行的一種類(lèi)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153 3、馮氏馮氏分類(lèi)法分類(lèi)法 * *分

14、類(lèi)原理：分類(lèi)原理：按照系統(tǒng)的最大并行程度進(jìn)行分類(lèi)按照系統(tǒng)的最大并行程度進(jìn)行分類(lèi) * *最大并行度：最大并行度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能處理的最大二進(jìn)制位數(shù)單位時(shí)間內(nèi)能處理的最大二進(jìn)制位數(shù) 即即 P Pm m= =位片寬位片寬字寬字寬位片寬位片寬字寬字寬SISDSIMD（MPP）SIMDMIMD1mn1mn16一、一、影響影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展因素計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展因素1 1、軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響、軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)系列機(jī) * *思想：思想：具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴(kuò)充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組成或?qū)崿F(xiàn)具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴(kuò)充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組成或?qū)崿F(xiàn)

15、技術(shù)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件可移植性技術(shù)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 * *影響一影響一：新新的組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)很快得到應(yīng)用，大量兼容產(chǎn)的組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)很快得到應(yīng)用，大量兼容產(chǎn)品的出現(xiàn)，品的出現(xiàn)，推動(dòng)推動(dòng)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 系列機(jī)要求系列機(jī)要求保證向后兼容，保證向后兼容， 力爭(zhēng)向上兼容力爭(zhēng)向上兼容時(shí)間時(shí)間機(jī)器檔次機(jī)器檔次當(dāng)前機(jī)器當(dāng)前機(jī)器向上兼容向上兼容向下兼容向下兼容高高低低向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 * *影響二影響二：要求要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，變，限制限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展回下頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的發(fā)展發(fā)展 172 2、應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影

16、響、應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 * *應(yīng)用背景：應(yīng)用背景：應(yīng)用領(lǐng)域、功能及性能要求有所不同應(yīng)用領(lǐng)域、功能及性能要求有所不同 * *應(yīng)用需求：應(yīng)用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路： 分成不同級(jí)別的系統(tǒng)，以提高性能分成不同級(jí)別的系統(tǒng)，以提高性能/ /價(jià)格價(jià)格 巨、大型機(jī)巨、大型機(jī)研究專(zhuān)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成研究專(zhuān)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)技術(shù) 其它型機(jī)其它型機(jī)研究通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( (吸納先進(jìn)結(jié)構(gòu)與技術(shù)吸納先進(jìn)結(jié)構(gòu)與技術(shù)) ) * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)： 保持價(jià)格基本不變，提高保持價(jià)格基本不變，提高性能性能 保持性能基本

17、不變，降低價(jià)格保持性能基本不變，降低價(jià)格價(jià)格價(jià)格時(shí)間時(shí)間等性能線(xiàn)等性能線(xiàn)巨型機(jī)巨型機(jī)大型機(jī)大型機(jī)中、小型機(jī)中、小型機(jī)微型機(jī)微型機(jī)18二、并行性的發(fā)展二、并行性的發(fā)展 并行性并行性包括包括同時(shí)性同時(shí)性( (時(shí)刻時(shí)刻) )、并發(fā)、并發(fā)性性( (時(shí)段時(shí)段) ) * *開(kāi)發(fā)方法：開(kāi)發(fā)方法： 時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享 * *并行性等級(jí)劃分：并行性等級(jí)劃分： 執(zhí)行程序角度執(zhí)行程序角度 處理數(shù)據(jù)角度處理數(shù)據(jù)角度 信息加工步驟信息加工步驟 操作級(jí)操作級(jí) 位串字串位串字串 存儲(chǔ)器操作并行存儲(chǔ)器操作并行 指令級(jí)指令級(jí) 位并字串位并字串 處理器操作步驟并行處理器操作步驟并行 任務(wù)或過(guò)

18、程級(jí)任務(wù)或過(guò)程級(jí) 位串字并位串字并 處理器操作并行處理器操作并行 作業(yè)或程序級(jí)作業(yè)或程序級(jí) 全并行全并行 任務(wù)或作業(yè)并行任務(wù)或作業(yè)并行1 1、并行性開(kāi)發(fā)、并行性開(kāi)發(fā)192 2、并行性發(fā)展、并行性發(fā)展標(biāo)量標(biāo)量順序的順序的先行控制先行控制I/EI/E重疊重疊功能并行功能并行多個(gè)功能部件多個(gè)功能部件流水線(xiàn)流水線(xiàn)隱式向量隱式向量顯式向量顯式向量存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器- -存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器寄存器寄存器- -寄存器寄存器SIMDSIMDMIMDMIMD聯(lián)想處理機(jī)聯(lián)想處理機(jī)處理機(jī)陣列處理機(jī)陣列多計(jì)算機(jī)多計(jì)算機(jī)多處理機(jī)多處理機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)空間并行空間并行時(shí)間并行時(shí)間并行20第一節(jié)第一節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原

19、理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理 一、大概率事件優(yōu)先原則一、大概率事件優(yōu)先原則 * *基本思想：基本思想：對(duì)大概率事件賦予優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)對(duì)大概率事件賦予優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán), ,以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果 該原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中該原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要最重要和和最常用最常用的原則的原則 * *應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令操作碼采用霍夫曼編碼；指令操作碼采用霍夫曼編碼； 溢出處理溢出處理優(yōu)化不溢出情況的處理；優(yōu)化不溢出情況的處理； 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)使高頻使用數(shù)據(jù)存取速度更快，層次結(jié)構(gòu)使高頻使用數(shù)據(jù)存取速度更快， 虛擬存儲(chǔ)器的虛擬存儲(chǔ)器的TLBTLB用高速芯片組成

20、用高速芯片組成21二、二、AmdahlAmdahl定律定律 * *基本思想：基本思想：優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取優(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(shí)間的比例決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例erefeefTTpS)1(10 * *應(yīng)用：應(yīng)用：使用該定律可改善使用該定律可改善“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸”性能性能 * *舉例：舉例：某功能處理時(shí)間占系統(tǒng)時(shí)間的某功能處理時(shí)間占系統(tǒng)時(shí)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(gè)系統(tǒng)性能提高多少？倍后，整個(gè)系統(tǒng)性能提高多少？ 解解已知已知f fe e=0.4=0.4，r

21、 re e=10=10，利，利用用AmdahlAmdahl定律，則定律，則 S Sp p=1.56=1.560.00.51.0feSp1015 r re e=10=10時(shí)時(shí)S Sp p和和f fe e的關(guān)系如右圖：的關(guān)系如右圖： 方法方法若改善某部件性能后，系統(tǒng)性能急劇提高，若改善某部件性能后，系統(tǒng)性能急劇提高， 則該部件為則該部件為“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸”22三、程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性原理三、程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序執(zhí)行時(shí)，呈現(xiàn)出頻繁重復(fù)使用那些程序執(zhí)行時(shí)，呈現(xiàn)出頻繁重復(fù)使用那些“簇聚簇聚”的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含時(shí)間局部性和空間局部性時(shí)間局部性和空

22、間局部性 時(shí)間局部性時(shí)間局部性- 近期被訪(fǎng)問(wèn)的信息，可能馬上被訪(fǎng)問(wèn)近期被訪(fǎng)問(wèn)的信息，可能馬上被訪(fǎng)問(wèn) 空間局部性空間局部性- 與被訪(fǎng)問(wèn)地址相鄰的信息可能會(huì)一起被訪(fǎng)問(wèn)與被訪(fǎng)問(wèn)地址相鄰的信息可能會(huì)一起被訪(fǎng)問(wèn) * *應(yīng)用：應(yīng)用：層次存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)層次存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)23四、軟硬件取舍原則四、軟硬件取舍原則1 1、現(xiàn)有軟硬件條件下，所選現(xiàn)有軟硬件條件下，所選方法應(yīng)有助于方法應(yīng)有助于提高系統(tǒng)的性能提高系統(tǒng)的性能/ /價(jià)格價(jià)格 例：例：2 2、所選、所選方法應(yīng)盡量方法應(yīng)盡量不限制計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)不限制計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 例：例：數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì)不應(yīng)限制數(shù)據(jù)寬度與之一一對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì)不應(yīng)限制數(shù)據(jù)寬度與之一一對(duì)

23、應(yīng)； 主存容量設(shè)計(jì)不應(yīng)限制是否采用多體交叉存儲(chǔ)器等主存容量設(shè)計(jì)不應(yīng)限制是否采用多體交叉存儲(chǔ)器等3 3、所選、所選方法應(yīng)能夠方法應(yīng)能夠?qū)幾g程序和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供好的支持對(duì)編譯程序和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供好的支持 例：例：指令系統(tǒng)中增加指令系統(tǒng)中增加OSOS所需指令；所需指令； 根據(jù)編譯要求設(shè)置一定數(shù)量通用寄存器等根據(jù)編譯要求設(shè)置一定數(shù)量通用寄存器等研制費(fèi)用研制費(fèi)用生產(chǎn)費(fèi)用生產(chǎn)費(fèi)用產(chǎn)品費(fèi)用產(chǎn)品費(fèi)用硬件方法硬件方法D Dh hM Mh hD Dh h/V+M/V+Mh h軟件方法軟件方法C CD Ds sR RM Ms sC CD Ds s/V+R/V+RM Ms s說(shuō)明：說(shuō)明：VV設(shè)備數(shù)量，設(shè)備數(shù)

24、量，CC重復(fù)設(shè)計(jì)次數(shù)，重復(fù)設(shè)計(jì)次數(shù)，RR復(fù)制次數(shù)復(fù)制次數(shù)24第二節(jié)第二節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià) 一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能 * *計(jì)算機(jī)性能：計(jì)算機(jī)性能：正確性、可靠性和工作能力正確性、可靠性和工作能力 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間指任務(wù)從輸入到結(jié)果輸出的所有時(shí)間，指任務(wù)從輸入到結(jié)果輸出的所有時(shí)間， 反映反映CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)及系統(tǒng)及OSOS等的總體性能；等的總體性能； 正確性：正確性：與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果比較，通常認(rèn)為是正確的與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果比較，通常認(rèn)為是正確的 可靠性：可靠性：用平均無(wú)故障時(shí)間表示，通常認(rèn)為是可靠的用平均無(wú)故障時(shí)間表示，通常認(rèn)為是可靠的 工作能力：工作能

25、力：即系統(tǒng)的速度，通常用程序執(zhí)行時(shí)間表示；即系統(tǒng)的速度，通常用程序執(zhí)行時(shí)間表示； 可分為峰值性能和持續(xù)性能可分為峰值性能和持續(xù)性能 吞吐率吞吐率指單位時(shí)間內(nèi)能處理的作業(yè)或任務(wù)數(shù)量，指單位時(shí)間內(nèi)能處理的作業(yè)或任務(wù)數(shù)量， 反映系統(tǒng)的多任務(wù)處理性能反映系統(tǒng)的多任務(wù)處理性能251 1、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間指一個(gè)任務(wù)從輸入到輸出的總時(shí)間響應(yīng)時(shí)間指一個(gè)任務(wù)從輸入到輸出的總時(shí)間 T T響應(yīng)響應(yīng)T TCPUCPUT T系統(tǒng)系統(tǒng)CPUCPUT T用戶(hù)用戶(hù)CPUCPUI IN NCPICPIT TC C CPI CPI包含包含ALUALU、訪(fǎng)問(wèn)、訪(fǎng)問(wèn)MEMMEM及及I/OI/O的時(shí)間的時(shí)間( (含等待時(shí)間

26、含等待時(shí)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(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編譯技術(shù)編譯技術(shù)PEPE實(shí)現(xiàn)與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與控制技術(shù)CacheCache和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：能夠反映軟硬件系統(tǒng)的能夠反映軟硬件系統(tǒng)的總體性能總體性能，但不易測(cè)量，但不易測(cè)量 * *影響影響T TCPUCPU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 pp處理周期數(shù)處理周期數(shù)/ /指令，指令，mm訪(fǎng)存次數(shù)訪(fǎng)存次數(shù)/ /指令，指令，kk訪(fǎng)存時(shí)延訪(fǎng)存時(shí)延262 2、吞吐率

27、、吞吐率 * *定義：定義：指單位時(shí)間內(nèi)能夠處理作業(yè)指單位時(shí)間內(nèi)能夠處理作業(yè)( (或任務(wù)或任務(wù)) )的數(shù)量的數(shù)量 吞吐率吞吐率 = n nn n個(gè)任務(wù)總時(shí)間個(gè)任務(wù)總時(shí)間 * *常用標(biāo)準(zhǔn)：常用標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)作業(yè)對(duì)作業(yè)( (或任務(wù)或任務(wù)) )的定義無(wú)法統(tǒng)一的定義無(wú)法統(tǒng)一 MIPS( MIPS(每秒百萬(wàn)次指令每秒百萬(wàn)次指令)-)-66C610CPI10TCPI110MIPS時(shí)鐘頻率程序執(zhí)行時(shí)間程序中指令條數(shù) MIPSMIPS不能反映指令功能強(qiáng)弱，常用相對(duì)不能反映指令功能強(qiáng)弱，常用相對(duì)MIPSMIPS表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算)610MFLOPS程序執(zhí)行時(shí)間

28、程序中浮點(diǎn)操作次數(shù) 不同操作不同操作通過(guò)正則化方法實(shí)現(xiàn)通過(guò)正則化方法實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)， MFLOPSMFLOPS只能反映浮點(diǎn)操作能力只能反映浮點(diǎn)操作能力273 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)性能峰值性能峰值性能 * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標(biāo)有密切關(guān)系；不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標(biāo)有密切關(guān)系； 對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用！對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用！ * *提高吞吐率方法：提高吞吐率方法： 流水化流水化-使多個(gè)作業(yè)流水處理；使多個(gè)作業(yè)流水處理； 并行處理并行處理-給每個(gè)給每個(gè)PEPE分配分配多個(gè)作業(yè)，各多個(gè)作

29、業(yè)，各PEPE相互相互協(xié)調(diào)協(xié)調(diào) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：吞吐率與吞吐率與I/OI/O軟硬件組織方式及軟硬件組織方式及OSOS有很大關(guān)系；有很大關(guān)系； 能夠反映能夠反映軟硬件系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)對(duì)對(duì)多任務(wù)多任務(wù)的響應(yīng)能力的響應(yīng)能力284 4、系統(tǒng)可擴(kuò)放性、系統(tǒng)可擴(kuò)放性 常用于評(píng)價(jià)多機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力常用于評(píng)價(jià)多機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力),(),()1 ,(),(nphnpTpTnpS 其中其中 p-問(wèn)題規(guī)模，問(wèn)題規(guī)模，n-處理器數(shù)量，處理器數(shù)量，h-通信時(shí)間通信時(shí)間 衡量方法衡量方法-測(cè)量不同測(cè)量不同n時(shí)的加速比，時(shí)的加速比， 得到性能可擴(kuò)放性曲線(xiàn)得到性能可擴(kuò)放性曲線(xiàn) * *性能加速比：性能加速比：多機(jī)系統(tǒng)相

30、對(duì)于單機(jī)系統(tǒng)性能提高的比例多機(jī)系統(tǒng)相對(duì)于單機(jī)系統(tǒng)性能提高的比例 * *系統(tǒng)可擴(kuò)放性：系統(tǒng)可擴(kuò)放性：系統(tǒng)性能隨處理機(jī)數(shù)系統(tǒng)性能隨處理機(jī)數(shù)n增加而增長(zhǎng)的比例增加而增長(zhǎng)的比例 =fS(n) 影響因素影響因素結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問(wèn)題規(guī)模、存儲(chǔ)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問(wèn)題規(guī)模、存儲(chǔ)系統(tǒng)等S Sn n1 1B B系統(tǒng)系統(tǒng)A A系統(tǒng)系統(tǒng)29二、性能評(píng)價(jià)與比較二、性能評(píng)價(jià)與比較1 1、評(píng)價(jià)技術(shù)、評(píng)價(jià)技術(shù)(1)(1)分析技術(shù)分析技術(shù) * *思路：思路：在一定假設(shè)條件下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參數(shù)與在一定假設(shè)條件下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參數(shù)與性能指標(biāo)間性能指標(biāo)間存在著某種函數(shù)關(guān)系，按其工作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)條件列出方程，用存在著某種函數(shù)關(guān)系，按其工

31、作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)條件列出方程，用數(shù)學(xué)方法求解后評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)方法求解后評(píng)價(jià) * *發(fā)展：發(fā)展：從脫離實(shí)際的假設(shè)發(fā)展到近似求解從脫離實(shí)際的假設(shè)發(fā)展到近似求解 近似求解算法近似求解算法聚合法、均值分析法、擴(kuò)散法等聚合法、均值分析法、擴(kuò)散法等 * *應(yīng)用：應(yīng)用：可應(yīng)用于可應(yīng)用于設(shè)計(jì)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)的分析與評(píng)價(jià)回下頁(yè) 例例A A機(jī)執(zhí)行的程序中有機(jī)執(zhí)行的程序中有20%20%轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令( (需需2T2TC C) )，轉(zhuǎn)移指令都需，轉(zhuǎn)移指令都需要一條比較指令要一條比較指令( (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(jī)中機(jī)中轉(zhuǎn)移指轉(zhuǎn)移指令包含令包含比較比較指

32、令功能，指令功能，但但T TC C比比A A機(jī)慢機(jī)慢15%15%。執(zhí)行。執(zhí)行該程序時(shí)該程序時(shí)，A A機(jī)、機(jī)、B B機(jī)哪個(gè)機(jī)哪個(gè)工作速度快？工作速度快？30(2)(2)模擬技術(shù)模擬技術(shù) * *思路：思路：建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型和工作負(fù)載模型，建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型和工作負(fù)載模型，對(duì)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)對(duì)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià) * *方法：方法： 按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行特性建立按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行特性建立系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型； 按系統(tǒng)可能有的工作負(fù)載特性建立按系統(tǒng)可能有的工作負(fù)載特性建立工作負(fù)載模型工作負(fù)載模型； 用語(yǔ)言編寫(xiě)模擬程序，用語(yǔ)言編寫(xiě)模擬程序，模仿模仿被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的

33、被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行運(yùn)行； 設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，依照評(píng)價(jià)目標(biāo)，選擇與目標(biāo)有關(guān)因素，設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，依照評(píng)價(jià)目標(biāo)，選擇與目標(biāo)有關(guān)因素，得出實(shí)驗(yàn)值，再得出實(shí)驗(yàn)值，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析 * *應(yīng)用：應(yīng)用：可應(yīng)用于可應(yīng)用于設(shè)計(jì)中或?qū)嶋H應(yīng)用中系統(tǒng)設(shè)計(jì)中或?qū)嶋H應(yīng)用中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)；的分析與評(píng)價(jià)； 可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)混合系統(tǒng)可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)上頁(yè)31(3)(3)測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù) * *思路：思路：通常采用基準(zhǔn)測(cè)試程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)際性能評(píng)價(jià)通常采用基準(zhǔn)測(cè)試程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)際性能評(píng)價(jià) * *基準(zhǔn)測(cè)試程序：基準(zhǔn)測(cè)試程序： 有實(shí)際應(yīng)用程序、核心程序、合成測(cè)試程序三個(gè)層次有實(shí)際應(yīng)用程序、

34、核心程序、合成測(cè)試程序三個(gè)層次 第一個(gè)層次第一個(gè)層次用于測(cè)試系統(tǒng)總體性能；用于測(cè)試系統(tǒng)總體性能； 后兩個(gè)層次后兩個(gè)層次-用于測(cè)試部件用于測(cè)試部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)等系統(tǒng)等) )性能性能 基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序具有三個(gè)層次的具有三個(gè)層次的測(cè)試程序組測(cè)試程序組，典型的有，典型的有SPECSPEC程序組程序組，包含測(cè)試，包含測(cè)試多多個(gè)領(lǐng)域個(gè)領(lǐng)域、三個(gè)層次的測(cè)試程序、三個(gè)層次的測(cè)試程序 * *應(yīng)用：應(yīng)用：只能應(yīng)用于只能應(yīng)用于實(shí)際使用中系統(tǒng)實(shí)際使用中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)；的分析與評(píng)價(jià)； 通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求( (應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域) )選擇基準(zhǔn)測(cè)試選擇基準(zhǔn)測(cè)試程序組中的程序組中的部分測(cè)試程序部分測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)量進(jìn)行測(cè)量322 2、比較技術(shù)比較技術(shù) * *目的：目的：根據(jù)根據(jù)多種測(cè)試多種測(cè)試結(jié)果結(jié)果，比較，比較不同系統(tǒng)的優(yōu)劣不同系統(tǒng)的優(yōu)劣 * *方法：方法：算術(shù)平均、幾何平均、調(diào)和平均方法算術(shù)平均、幾何平均、調(diào)和平均方法(1)(1)算術(shù)平均方法算術(shù)平均方法niTnniinmiRA11111基準(zhǔn)測(cè)基準(zhǔn)測(cè)試程序試程序處理機(jī)處理機(jī)XYZB120(1.00) 10