計算機系統(tǒng)結構：第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念

1、計算機系統(tǒng)結構(Computer Architecture)一、現代計算機系統(tǒng) 發(fā)展經歷了五次更新?lián)Q代 從所用的器件而言 :從結構的發(fā)展而言 :單個CPU組成的單機系統(tǒng) 流水線機大規(guī)模的并行處理機 多處理機電子管、繼電器存儲晶體管、磁介質存儲集成電路、多層印刷電路大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、半導體存儲器第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念VLSI、高密度、高速度處理機、存儲器芯片從技術的發(fā)展上而言 :變址技術 中斷技術 微程序技術 緩沖技術、共享 重用技術 虛擬技術 從語言及應用方面而言: 由匯編到高級語言，從單用戶到多用戶，到并行處理的語言、編譯、操作系統(tǒng)，直到如今計算機網絡、異構系統(tǒng)處理等等。

2、第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念五代：第一代：19451954年，電子管和繼電器；第二代：19551964年，晶體管和磁芯存儲器；第三代：19651974年，中小規(guī)模集成電路；第四代：19751990年，LSI/VLSI和半導體存儲器；第五代：1991年至今，ULSI/GSI（Giga-Scale Integration）超大規(guī)模集成電路。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1、現代計算機的構成 現代計算機系統(tǒng)結構組成的基本模式 程序設計 應用軟件硬件結構操作系統(tǒng) 計算問題算法與數據 結 構 高級語言 性能評價 連 接 ( 編 譯，加 載 )第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念2、 計算機系統(tǒng)的層次結

3、構 虛擬機硬件固件0級1級2級3級4級5級6級 應 用 語 言 級 高 級 語 言 級 匯 編 語 言 級 操 作 系 統(tǒng) 級 傳 統(tǒng) 機 器 級 微程序機器級 電 子 線 路 應用軟件 系統(tǒng)軟件 翻譯(編譯程序) 翻譯(匯編程序) 軟硬件界面 物理機 解釋翻譯(應用程序包)圖中0級2級為物理機 36級為虛擬機 5級是高級語言的運行程序 4級是匯編語言的運行程序 3級是操作系統(tǒng)中對各種資源的管理與控制程序 6級是應用語言級第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1、 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 系統(tǒng)結構：從程序設計者的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，即概念性結構和功能特性。計算機系統(tǒng)結構：指機器語言程序的設計者

4、或是編譯程序設計者所看到的計算機系統(tǒng)的概念性結構與功能特性。 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 應用級的程序設計者與傳統(tǒng)機的程序設計者所看到的計算機性能的區(qū)別：應用語言編程機器的功能是能夠識別和執(zhí)行應用語言匯編語言編程硬件設備所體現的具體功能第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念一種本來存在，有差異的事物和屬性，從某種角度上看又好像不存在的現象，被稱為是“透明性” 例如，高級程序員看不到各種不同類型機器的差異性，就是一個明顯的例證。透明性第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念2、計算機系統(tǒng)結構、組成與實現 三者區(qū)別：1.計算機系統(tǒng)結構 -機器語言級的程序員所了解的計算機的屬性，即外特性 。2.計算機組成

5、-計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現。 3.計算機的實現 -指其計算機組成的物理實現。 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念數據表示 寄存器定義 指令系統(tǒng) 中斷系統(tǒng) 存儲系統(tǒng) 輸入輸出結構 機器工作狀態(tài) 信息保護 計算機系統(tǒng)結構 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念計算機組成 數據通路的寬度 專用部件的設置 各功能部件 控制機構的組成方式 緩沖技術 可靠性技術的采用和方式的選擇 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 計算機系統(tǒng)的結構、組成、實現是三個完全不同的概念，相互間有著十分密切的依賴關系和相互的影響。 例1、指令系統(tǒng)例2、乘法指令例3、主存系統(tǒng) 計算機實現 邏輯設計的物理實現第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念3

6、、系統(tǒng)結構的分類 計算機按系統(tǒng)的結構分類通常有三種方法： (一) 弗林(FLYNN)分類法 (1966年Michael J.Flynn)指令流(Instruction Stream) ：指令的傳送序列。數據流(Data Stream)：數據傳送 、加工的序列。多倍性(Multiplicity)：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段 的指令或數據的最大可能個數。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念單指令流、單數據流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 結構 如PDP-11、IBM-360/370、PC 8086、Z-80等微處理機

7、 CU PU MM IS CS DS 控制部件處理部件主存指令流數據流控制流傳統(tǒng)的順序處理計算機單指令流、單數據流( SISD )結構 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念單指令流、多數據流( SIMD-Single Instruction stream Multiple Data stream )結構 如ILLIAC (64個單元) PU1PU2PUnMMCU DS1 DS2 CS DSn IS陣列處理機、并行處理機單指令流、多數據流(SIMD )結構 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念多指令流、單數據流( MISD )結構 如RISC機、向量機 CU1PU1CU2PU2CUnPUn MMIS1I

8、S2ISnDSDSDS第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念多指令流、多數據流( MIMD )結構 IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均屬這一類型 CU1PU1CU2PU2CUnPUnMMDS1DS2DSnIS1IS2ISnCS1CS2CSn多處理機系統(tǒng)第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念(二)馮氏分類法（1972年，美籍華人馮澤云教授提出） 最大并行度： 是指計算機單位時間內能夠處理的最大的二進制位數 。(1) 字串位串， WSBS， n=1,m=1 (2) 字串位并， WSBP ，n1,m=1字片處理(3) 字并位串， WPBS， n=1,m1位片處理(4) 字

9、并位并， WPBP ，n1,m1n: 一個字中同時處理二進制的位數；m: 一個位片或功能部件中能同時處理的字數。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念(三) Wolfgan Handler(漢德勒)法 （1977年德國）從硬件設備結構的并行級和流水線的程度分類。 程序控制部件的個數 。算術邏輯運算部件或處理部件的個數 。基本邏輯線路的套數。 t(Cray-1)=(1，128，64) t(ILLIAC-)=(1，64，64)第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1、計算機系統(tǒng)的設計原則 (一) 加速那些使用頻率高的部件提高整個計算機性能 (二) Amdahl定律 （三）程序訪問局部性原理 第一章 計算機系統(tǒng)

10、結構的基本概念 Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種改進的執(zhí)行方式后，整個系統(tǒng)的性能提高了，其衡量指標為加速比。 加速比=采用改進措施后的性能 采用改進措施前的性能加速比=采用改進措施前執(zhí)行某任務所用時間采用改進措施后執(zhí)行某任務所用時間 如果系統(tǒng)性能用執(zhí)行某任務的時間來表示：第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念Amdahl定律可表示為： Sp：加速比；Te：采用改進措施前執(zhí)行某任務系統(tǒng)所用的時間；T0：采用改進措施后所需的時間；fe： 可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例，總是小于1；re: 性能提高的倍數（T部件改進前/ T部件改進后），總是大于1。例1：運行60s的程序中，有20s的

11、運算可加速，則：fe=20/60=33.3%例2：系統(tǒng)改進后執(zhí)行程序，可改進部分花費時間為2s，改進前改進部分花費時間為5s,則：re=5/2=2.5Sp = Te / T0T0= Te(1 fe + fe /re)第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 改進前可改進部分占用的時間fe = 1 改進后改進部分的時間第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念fe 改進后改進部分的時間 = re 改進前整個任務執(zhí)行時間 不可改進時間1 - fe = 改進前整個任務執(zhí)行時間第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念分析上式可以看出 : 當fe很小甚至0時，則Sp1 當re很大甚至時，則 則: 1Sp = Te / T0 =

12、（1 - fe）+ fe / re第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 例1：計算機執(zhí)行某測試程序，其中含有大量浮點數據的處理操作，為提高性能可以采用兩種方案： 一是采用硬件實現求浮點數平方根(FPSQR)的操作，可以使該操作的速度提高10倍； 另一種方案是提高所有浮點數據操作(FP)的速度，使其加快2倍。 同時已知FPSQR操作時間占整個測試程序執(zhí)行時間的20%，而FP操作占整個執(zhí)行時間的50%。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念現比較兩種方案，按兩種情況求出其加速比：Sp(FPSQR)=(1-0.2)+0.2101=1.22Sp(FP)=(1-0.5)+0.521=1.33改善浮點數據操作的方案

13、更好一些第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 例2：若考慮將系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理使用時間僅為整個系統(tǒng)運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？ 由題可知：fe=0.4，re=10，則可得：Sp=1.56第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 若以Sp作縱坐標， fe作橫坐標，則對不同的re，可畫出Sp=f(fe)的函數。0.0 0.5 1.0 fe10105Sp加速比Sp與可增強性能部分fe的關系 由圖中曲線可知，為使系統(tǒng)能獲得較高性能加速比，則功能性能可增強部分必須占有較大的比例；否則，增強該功能就沒有多大意義。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念

14、程序訪問局部性原理: 時間局部性 ： 近期被訪問的代碼，很可能不久又將再次被訪問。 空間局部性 ： 是指地址上相鄰近的代碼可能會被連續(xù)的訪問。 程序往往重復使用它剛剛使用過的數據和指令。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念2、計算機系統(tǒng)結構設計 計算機系統(tǒng)的功能要求、性能要求、成本要求 軟、硬件功能分配的基本原則：系統(tǒng)結構設計的方法： 基于計算機系統(tǒng)結構的層次結構，有以下三種設計方法：自下而上的方法基本不用 自上而下的方法適合專用機 由中間開始的方法 最好第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念系統(tǒng)結構設計的步驟 設計步驟可以分為： 需求分析 需求說明 概念性設計 具體設計 優(yōu)化和評價最終目的：獲得盡可能

15、高的性能價格比。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念四、計算機的性能評價 計算機的性能以及對系統(tǒng)評價的目標都指系統(tǒng)速度的性能。 計算機的速度性能：通常是用響應時間來衡量。 響應時間：是指用戶的一個任務從送入計算機處理到得到結果所需的時間 。 包含的內容：如處理速度、存儲容量，I/O設備的能力，使用的方便性，系統(tǒng)的可靠性，可維護性，容錯能力，給予系統(tǒng)軟件的支持功能、體積等等。 響應時間包括：訪問磁盤，訪問主存儲器，輸入/輸出的傳輸，CPU運算時間及操作系統(tǒng)各種系統(tǒng)軟件工作所需的時間，通?？捎卸喾N參數來表示系統(tǒng)性能。 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1、CPU性能 CPU性能：CPU執(zhí)行用戶程序所用的

16、時間。Tcpu=INCPI TcCPU執(zhí)行某一程序中所包含的指令總數時鐘周期執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念CPI=執(zhí)行整個程序所需的CPU時鐘周期數程序中指令的總數CPI=INni=1(CPIiIi)i：第i類指令Ii：第i類指令的數目CPIi：執(zhí)行每條i類指令所需的周期數 (CPIi Ii)ni=1=（CPIi ）ni=1IiIN第i類指令在總程序中占的比例第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念例1：某臺計算機只有Load/Store指令能對存儲器進行讀/寫操作其它指令只對寄存器進行操作，根據程序跟蹤實驗結果，已知每種指令所占的比例及CPU時鐘周期數如下:求：上述

17、情況的平均CPI。第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念CPI=10.43+20.21+20.12+20.24 =0.43+0.42+0.24+0.48=1.57指令類型指令所占比例CPI算邏指令LOAD指令SRORE指令轉移指令43%21%12%24%1222第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念例2：如果FP操作比例為25%，FP的平均CPIFP原=4，其他指令的平均CPI其它為1.33。FPSQR操作比例為2%，而FPSQR的CPISQR原=20。改進的方案有二：一是提高FP操作的速度，使其增加一倍，即CPIFP改=2；二是提高FPSQR的速度10倍，即CPISQR改=2；試比較兩個方案，求解；其中

18、設定IN與TC都是不變的，在此基礎上求出改進前后所具有的CPI值，進行比較。 CPI（原）= =（40.25）+(1.330.75)=2 采取以下兩種方案進行改進:（CPIi ）ni=1IiIN第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念方案1： 改進所有浮點操作指令使FP的平均CPI值提高一倍，即: CPIFP改=2 整個程序在改進后的值為： CPI (改)=(20.25)+(1.330.75)=1.5 =CPI(原)-0.25(CPIFP原-CPIFP改) =2.0-0.25(4-2)=1.5或第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 方案2：只改進FPSQR指令，使其CPI值提高10倍， 即CPISQR改=

19、2 整個程序改進后的值應為： CPI(改)=CPI(原)-0.02(CPI SQR原-CPI SQR改) =2-0.02(20-2)=1.64兩者比較還是方案1更好些 第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念2、MIPS和MFLOPS IPS:含義是每秒執(zhí)行的指令條數 。MIPS:以百萬來計量。MFLOPS:指每秒百萬次浮點操作次數。 MIPS=指令總數執(zhí)行指令所需的時間106=時鐘頻率CPI106TeMFLOPS=程序中的浮點操作次數執(zhí)行時間106IFNRcIN第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念3、系統(tǒng)性能測試 采用實際應用程序C語言的編譯程序等； 采用核心程序 從實際程序中抽取小量關鍵的循環(huán)程序；綜合測試程序 Whetstone、Dhrystone等程序；基本測試程序： （采用不同類型的程序進行測試）第一章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念性能評價結果的處理 三機運行2個程序的測試值及Am值 A機(秒)B機(秒)C機(秒)程序111020程序2100010020總時間100111040Am500.55520峰值性能：在理想情況下，系統(tǒng)得到的最