§4軟件、應(yīng)用、器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

1、4 軟件、應(yīng)用、器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 n軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 n器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 軟件的可移植性 n是指軟件不用修改或只需經(jīng)少量加工就能由一臺(tái)機(jī)器搬到另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行。 n統(tǒng)一高級(jí)語言 n采用系列機(jī)思想 n模擬與仿真 統(tǒng)一高級(jí)語言 n采用與硬件平臺(tái)無關(guān)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言標(biāo)準(zhǔn)如FORTRAN、COBOL等n不同用途的高級(jí)語言有不同的語法結(jié)構(gòu)和語義n人們對(duì)語言的基本結(jié)構(gòu)看法不一n即使統(tǒng)一種高級(jí)語言在各個(gè)不同廠家的機(jī)器上也不能完全通用n即使同一種高級(jí)語言在不同廠家的機(jī)器上也不能完全通用n在不同平臺(tái)上高級(jí)語言有所擴(kuò)充。n如：Visual C+、VB等n受習(xí)慣勢(shì)力阻擾，

2、不愿放棄慣用的語言開放系統(tǒng)n是指一種獨(dú)立于廠商,且遵循有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而建立的,具有系統(tǒng)可移植性、交互操作性，從而能允許用戶自主選擇具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和多廠商產(chǎn)品渠道的系統(tǒng)集成技術(shù)的系統(tǒng)。nPCI、USB、TCP/IPnLinux、Java、CORBA、Web Services等系列機(jī)n在軟、硬件界面上確定好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，之后軟件設(shè)計(jì)者按此設(shè)計(jì)軟件，硬件設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)器速度、性能、價(jià)格的不同，選擇不同的器件，在用不同的硬件技術(shù)和組成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研制并提供不同檔次的機(jī)器。 nIBM/360,370：115，125，135，145，158，168等nDEC PDP-11 VAX-11/780,750nInte

3、l 80 x86系列：8086,80286,80386,PI,P2,P3,P4nIBM P系列Unix服務(wù)器,p690,p670,p660,p665等n相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式n相同的32位字長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。n如PC系列機(jī)有：n不同主頻：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz, 3GHz, n不同擴(kuò)展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2n不同Cache：Pentium、Celeron、Xeonn不同字長(zhǎng)：8位、16位、32位、64位系列機(jī)的性能

4、價(jià)格比低檔性能性能中檔高檔價(jià)格性能/價(jià)格采用系列機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：n采用系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好n插件、接口等相互兼容；n便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信；n便于維修、培訓(xùn)；n有利于提高產(chǎn)量、降低成本n缺點(diǎn)：n采用新技術(shù)困難-如Itanium(32bit64bit)n限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件兼容n向上（下）兼容：指按某一檔機(jī)器編制的軟件，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的機(jī)器上。 n向前（后）兼容：在按某一時(shí)期投入市場(chǎng)的該型號(hào)機(jī)器上編制的軟件，不加修改就能運(yùn)行宇在它之前（后）投入市場(chǎng)的機(jī)器上。 n兼容機(jī)：把不同公司廠家生產(chǎn)的具有同一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。 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

5、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系列機(jī)發(fā)展新機(jī)型的判斷方法擬采取的方法改變了原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？對(duì)原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充？該方法可取該方法不可取否是否是舉例1n增加字符數(shù)據(jù)類型和指令，支持事務(wù)處理n判斷：不改變?cè)邢到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足軟件向后兼容。n結(jié)論：可采用n為增強(qiáng)中斷處理功能，將中斷分級(jí)4級(jí)改為5級(jí)，并重新調(diào)整中響應(yīng)的優(yōu)先次序n判斷：終端系統(tǒng)屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變n結(jié)論：不可采用舉例2n在CPU和主存之間增設(shè)Cache，克服因主存訪問速度過低而造成性能瓶頸n判斷：是否增設(shè)Cache，不屬于n結(jié)論：可采用n為解決計(jì)算誤差大，將機(jī)器中浮點(diǎn)數(shù)的下溢處理方法由原來的恒置“1”法，改為RO

6、M存放下溢處理結(jié)果的查表舍入法n判斷：不屬于n結(jié)論：可采用舉例3n為增加尋址靈活性和減少平均指令字長(zhǎng)，將原等長(zhǎng)操作碼改為3類不同碼長(zhǎng)的擴(kuò)展操作碼，將原操作數(shù)尋址方式由操作碼指明改為如VAX-11那種尋址方式位字段指明n判斷：改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n結(jié)論：不可采用n把原0號(hào)通用寄存器改為堆棧指示器n判斷：屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n結(jié)論：不可采用舉例4n將CPU與主存間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴(kuò)展成32位，加快主機(jī)內(nèi)部信息的傳送n判斷：不屬于n結(jié)論：可采用n為減少公用總線的使用沖突，將單總線改為雙總線n判斷：不屬于n結(jié)論：可采用模擬 Simulationn用機(jī)器語言程序?qū)崿F(xiàn)軟件移植的方法。n進(jìn)行模擬工作的A機(jī)稱為宿主機(jī)（

7、Host Machine）n被模擬的B機(jī)稱為虛擬機(jī)（Virtual Machine）n所有為各種模擬所編制的解釋程序通稱為模擬程序；編制非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí) n只適合于移植運(yùn)行時(shí)間短，使用次數(shù)少，而且在時(shí)間關(guān)系上沒有約束和限制的軟件； 微程序機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)（機(jī)器語言級(jí)）操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)匯編語言級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)高級(jí)語言級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)A機(jī)器系統(tǒng)機(jī)器語言級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)應(yīng)用程序級(jí)B虛擬機(jī)器系統(tǒng)用模擬方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的移植仿真 Emulationn用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令的方法。n進(jìn)行仿真工作的A機(jī)稱為宿主機(jī)n被仿真的B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)（Target Machine）n所有為仿真所編制的解

8、釋微程序通稱為仿真微程序；用仿真方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的移植微程序機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)（A機(jī)器語言級(jí)）操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)高級(jí)語言級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)A機(jī)器系統(tǒng)機(jī)器語言級(jí)B機(jī)器語言操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)應(yīng)用程序級(jí)B虛擬機(jī)器系統(tǒng)仿真與模擬的區(qū)別 n解釋用的語言不同 n解釋程序所存的位置不同：仿真存在控制寄存器，模擬存在主存中 n說明 ：n模擬適用于運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)、使用次數(shù)不多的程序 n仿真提高速度，但難以仿真存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)，只能適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異不大的機(jī)器間；n在開發(fā)系統(tǒng)中，兩種方法共用 模擬與仿真的比較項(xiàng)目模擬仿真優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器間軟件移植速度較快缺點(diǎn)運(yùn)行速度低，實(shí)時(shí)性差，模擬程序復(fù)雜機(jī)器結(jié)構(gòu)差別大

9、時(shí)，仿真困難適用場(chǎng)合運(yùn)行時(shí)間短，使用次數(shù)少，無時(shí)間關(guān)系約束的軟件頻繁使用且易于仿真的指令三種方法的比較n采用統(tǒng)一高級(jí)語言最好，是努力的目標(biāo)n系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法n仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重n目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容n1/101/2的芯片面積用于仿真n發(fā)展異種機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)軟件移植的新途徑虛擬計(jì)算系統(tǒng)n虛擬計(jì)算系統(tǒng)能夠隔離具體的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)之間的依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)透明化的可伸縮計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)。n透明、高效、可定制地使用計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)靈活構(gòu)建、按需計(jì)算的理念。nVMware、Xen、Paralles、VirtualBox、Hyper-V,etc面向目標(biāo)代碼的編譯n

10、一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器的目標(biāo)代碼n兩種方法：n 動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換n例1：IBM的DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown) 處理機(jī)，開放源代碼，實(shí)現(xiàn)IBM的VLIW處理器與X86處理器之間的二進(jìn)制兼容，以及與PowerPC、S/390、Java虛擬機(jī)等IBM國(guó)的所有處理器之間的二進(jìn)制兼容n例2：Transmeta公司的Crusoe處理機(jī)，“代碼映射軟件”，Code Morphing Software，可以保證Transmeta公司的VLIW處理器Crusoe能夠與X86處理器之間實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制兼容。已經(jīng)大量應(yīng)

11、用于筆記本計(jì)算機(jī)，其功耗很低n靜態(tài)重編譯：正在研究過程中，難度很大,還沒有商品化五種方法比較n方法一：采用統(tǒng)一高級(jí)語言是努力的目標(biāo)，但不能解決已有目標(biāo)代碼的兼容。n方法二：目前最有效的方法，但限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。n方法三：仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重。用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/101/2的芯片面積用于仿真。n方法四：采用虛擬計(jì)算機(jī)比方法三稍好，但仍然不能完全解決已有目標(biāo)代碼的兼容問題n方法五：目標(biāo)代碼的靜態(tài)重編譯是最有效的方法，但實(shí)現(xiàn)的難度很大。 計(jì)算機(jī)的四類應(yīng)用n數(shù)據(jù)處理（Data Processing）n可計(jì)算性 n信息處理（Information Processing）n數(shù)據(jù)

12、的可管理性n知識(shí)處理（Knowledge Processing）n數(shù)據(jù)的可組織性、可理解性n智能處理（Intelligence Processing） n可智能性應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n應(yīng)用需求n高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算：氣象模型,流體流動(dòng),有限元分析n非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬, 稀疏矩陣。n實(shí)時(shí)多因素問題：語音識(shí)別,圖象處理, 計(jì)算機(jī)視覺n海量存儲(chǔ)和輸入輸出密集問題：數(shù)據(jù)庫, 事務(wù)處理。n圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。n三個(gè)時(shí)期n通用計(jì)算機(jī)：主要是通用科學(xué)計(jì)算n專用計(jì)算機(jī)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制n高性能通用機(jī)：滿足多種需求n目前又開始多種專用處理機(jī)的研制應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n

13、兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)n維持價(jià)格不變，利用VLSI技術(shù)等，提高性能n性能基本不變，價(jià)格迅速下降n一般先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展n三種設(shè)計(jì)思想n最高性能價(jià)格比：商用機(jī)。主要發(fā)展方向n最高性能：國(guó)家安全需要，科技發(fā)展需要 例如：銀河計(jì)算機(jī)、神州計(jì)算機(jī)、天河計(jì)算機(jī)n最低價(jià)格：家用學(xué)習(xí)機(jī)等應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 n應(yīng)用要求：高速度、大容量、大吞吐率n應(yīng)用場(chǎng)合：大、中、小、巨、微型機(jī)n大、巨型機(jī)趨勢(shì)：研究新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)，并推廣，向通用結(jié)構(gòu)發(fā)展；n中、小、微型機(jī)趨勢(shì)：保持價(jià)格基本不變，提高性能；保持性能基本不變，降低價(jià)格。n從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，各型（檔）計(jì)算機(jī)的性能隨時(shí)間下移，實(shí)

14、質(zhì)上就是在低檔（型）機(jī)上引用，甚至照搬高檔（型）機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成。 價(jià)格（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）年代t-3t-2t-1tt+1t+2微微型機(jī)亞微型機(jī)微型機(jī)小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)巨型機(jī)各型機(jī)器價(jià)格性能隨時(shí)間變化的趨勢(shì)價(jià)格和應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n要全面評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既要考慮性能又要考慮價(jià)格。n當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)的功能類似或性能接近時(shí)，性價(jià)比的比較才有意義。n改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)使性能或價(jià)格產(chǎn)生較小變化，以獲得更好的性價(jià)比。n改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可提高系統(tǒng)的絕對(duì)性能，并使價(jià)格的增加比較合理。n針對(duì)特殊負(fù)載（特殊應(yīng)用）的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往具有高效率，但缺乏通用性，市場(chǎng)面小。n通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，市場(chǎng)面大，但效率低。n

15、設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是使專用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高效率與通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的廣泛市場(chǎng)成均勢(shì)。器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 n器件發(fā)展過程：n通用片現(xiàn)場(chǎng)片半用戶片用戶片n器件的發(fā)展推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成技術(shù)的發(fā)展，同樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求器件不斷發(fā)展。n新結(jié)構(gòu)的使用，取決于器件發(fā)展能否提供可能n器件性能/價(jià)格提高，使新結(jié)構(gòu)、組成下移速度更快n器件的發(fā)展，推動(dòng)算法、語言的發(fā)展n器件的發(fā)展，改變了邏輯設(shè)計(jì)方法。 器件種類n通用片：邏輯關(guān)系確定n大批量生產(chǎn)，如：CPU、存儲(chǔ)器、寄存器n現(xiàn)場(chǎng)片：可以一次或多次改寫邏輯關(guān)系n如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGAn半用戶片：門陣列片等n標(biāo)準(zhǔn)的門電路，前幾到工序已經(jīng)完成；n根據(jù)用

16、戶需要確定最終連線。n用戶片：各種專用芯片n需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。器件發(fā)展的特點(diǎn)n器件集成度迅速提高n目前水平：每個(gè)芯片有1012個(gè)晶體管n單芯片內(nèi)可以做大于10GB存儲(chǔ)器，n單芯片內(nèi)可以集成多個(gè)CPU全部Cachen每4年左右提高一個(gè)數(shù)量級(jí), 摩爾定理n問題？如何利用器件集成度的提高，不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如，有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的Cache等n提高器件速度的空間不大n提高主頻的空間已經(jīng)很小。微處理器主頻已達(dá)6GHz，門延遲小于0.01ns信號(hào)延時(shí)：30萬公里/秒/21.5mm/0.01nsnPentium芯片面積600mm2，即25mm25mm當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入

17、0.18m以后，線延時(shí)已經(jīng)超過了門延遲n提高微處理器速度的途徑之一：依靠更加精密的布線技術(shù)還有少量余地開發(fā)新的器件，生物芯片和光電子器件等微處理器主頻預(yù)測(cè)n根據(jù)微處理器主頻近28年的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用增長(zhǎng)極限存在的增長(zhǎng)曲線模型計(jì)算出微處理器主頻的增長(zhǎng)極限約為7250MHz，將在2020年左右基本達(dá)到，在2040年完全達(dá)到。年度主頻(MHz)年度主頻(MHz)年度主頻(MHz)19711（4004）198316199518019722198420199620019742.51985331997233197851987401998450198081989501999733198212199360200

18、01000n提高微處理器性能的途徑之二n提高指令級(jí)并行度有很大潛力n幾個(gè)SPEC2000基準(zhǔn)測(cè)試程序，在理想處理器中的指令級(jí)并行度：n編譯器gcc(C語言83589行)：58.4n最小化布爾函數(shù)espresso(C語言13500)：62.6n量子化學(xué)積分求導(dǎo)fpppp(fortran2718行): 75.2n原子反應(yīng)堆模擬器dodnc(fortran5334行): 118.7n向量化網(wǎng)格生成tomcatv(fortran1950行): 150.1n價(jià)格直線下降nCPU芯片的價(jià)格每年要下降80%n可靠性越來越高n芯片可靠性達(dá)到108小時(shí)，連續(xù)使用1萬年以上綜述n軟件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最重

19、要的因素n沒有軟件，機(jī)器就不能運(yùn)行，所以為了能方便地使用現(xiàn)有軟件，就必須考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)n軟件最重要n應(yīng)用需求是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動(dòng)力n機(jī)器是給人用的，我們追求更快更好，機(jī)器就要做得更快更好n需求最根本n器件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展最活躍的因素n沒有器件就產(chǎn)不出電腦，器件的每一次升級(jí)就帶來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)n器件最活躍改進(jìn)算法的影響n在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如：n快速乘法、除法、開平方等的實(shí)現(xiàn)：n記分板算法、Tomasulo算法提高指令級(jí)并行性n消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法n有些問題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。n許多算法還