計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)chap1

1、第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 本章要點(diǎn):系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)AR,組成，實(shí)現(xiàn)透明性Amdahl定律CPU性能公式8/9/20221硬聯(lián)邏輯微程序控制1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)機(jī)器語言機(jī)器操作系統(tǒng)機(jī)器匯編語言機(jī)器高級(jí)語言機(jī)器應(yīng)用語言機(jī)器8/9/20222硬聯(lián)邏輯邏輯線路內(nèi)核操作時(shí)序硬件維護(hù)員設(shè)計(jì)員第0級(jí) 硬聯(lián)邏輯微程序控制寄存器傳送門機(jī)器指令時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)員第1級(jí) 微程序控制中央處理機(jī)機(jī)器程序機(jī)器指令系統(tǒng)機(jī)器語言程序員第2級(jí) 機(jī)器語言計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)資源鍵盤命令系統(tǒng)原語操作員第3級(jí) 操作系統(tǒng)匯編程序運(yùn)行程序匯編語言匯編語言程序員第4級(jí) 匯編語言計(jì)算機(jī)解釋程序編譯程序運(yùn)行程序高級(jí)語言高級(jí)語言程序

2、員第5級(jí) 高級(jí)語言計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序信息處理系統(tǒng)應(yīng)用語言用戶第5級(jí) 應(yīng)用語言計(jì)算機(jī)8/9/202231.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：由程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。（Amdahl）透明性：一種本來存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看似乎不存在。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容：軟硬件功能分配、軟硬件界面確定。8/9/20224計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SYSTEM:源于希臘文.Computer system PeopledataequipmentprogramprocedureHard waresoft ware功能等效原理取舍原則實(shí)際機(jī)器虛擬機(jī)器8/9/20225系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、的研究?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)表示機(jī)器的數(shù)據(jù)類型尋址方式單位、種類、表示、地址計(jì)算方法寄存器組織數(shù)目、使用方法、定義指令系統(tǒng)類型、格式存儲(chǔ)系統(tǒng)容量、可編址空間/方式/單位8/9/20226系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）中斷系統(tǒng)類型、分級(jí)、中斷處理、入口地址I/O結(jié)構(gòu)連接方式、數(shù)據(jù)傳送方式和格式、數(shù)據(jù)量、標(biāo)志工作狀態(tài)定義、切換方式信息保護(hù)方式保護(hù)方式、硬件的支持程度8/9/202271.1.3 計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的再定義：除了Amdahl的定義內(nèi)容外，還應(yīng)包括功能模塊的設(shè)計(jì)。即是由程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)屬性，和功能模塊的設(shè)

4、計(jì)。8/9/20228組成、實(shí)現(xiàn)具體定義組成：包括：及其內(nèi)部的數(shù)據(jù)流、控制流、邏輯設(shè)計(jì). (性能)著眼于：機(jī)器內(nèi)部時(shí)間的排序方式、控制機(jī)構(gòu)、各部件的功能/共享程度/并行性、各部件的相互聯(lián)系,數(shù)據(jù)通路寬度的確定等。實(shí)現(xiàn)：包括：部件的物理結(jié)構(gòu)、器件的集成度、速度、專用器件設(shè)計(jì)、微組裝技術(shù)、整機(jī)裝配技術(shù)、信號(hào)傳輸。(性能/成本)著眼于：器件技術(shù)、微組裝技術(shù)8/9/20229AR、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系A(chǔ)R 相同，組成可以不同：例如 機(jī)器1機(jī)器2指令系統(tǒng) 相同相同 順序 重疊流水8/9/202210AR、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系(續(xù))組成相同，實(shí)現(xiàn)可以不同：例如 存儲(chǔ)器 雙極性/mos or 大規(guī)模集成電路

5、單元/小規(guī)模集成電路多片組搭8/9/202211AR、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系(續(xù))一種AR可以有多種不同的組成和實(shí)現(xiàn)一種組成可以有多種不同的實(shí)現(xiàn)三者相互聯(lián)系相互影響三者在不同的時(shí)期有不同的變化8/9/2022121.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類性能/價(jià)格用途處理機(jī)種類/個(gè)數(shù)分類方法巨型、大型、中型、小型、微型等科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、家用等單處理機(jī)、多處理機(jī)、并行處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、對(duì)稱多處理機(jī)、大規(guī)模并行處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)等8/9/2022131.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類（續(xù)）FLYNN 分類馮氏分類Handler分類 SISD、SIMD、MISD、MIMD字串位

6、串:n=1,m=1字并位串:n1,m=1字串位并:n=1,m1字并位并:n1,m1t(型號(hào)）=(kk，dd,ww)k:程序控制部件的個(gè)數(shù); k:宏流水線中程序控制部件的個(gè)數(shù).d:邏輯部件或處理部件的個(gè)數(shù); d:指令流水線中算邏部件的個(gè)數(shù).w:算邏部件的套數(shù); w: 操作流水線中基本邏輯線路的套數(shù).例如：t(Cray1)=（1，12 8，64（114）并行度和流水線指令流數(shù)據(jù)流最大并行度8/9/2022141.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定量原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法8/9/2022151.2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定量原理1.加快經(jīng)常性事件的速度2.Amdahl定律

7、3.cpu 性能公式4.訪問局部性原理哪里有瓶頸問題,哪里就需要資源投資!8/9/2022161.加快經(jīng)常性事件的速度什么是經(jīng)常性事件大概率事件如何確定經(jīng)常性事件經(jīng)驗(yàn)測(cè)試工具為什么？8/9/2022172. Amdahl定律定義:系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān).加速比=采用改進(jìn)措施后的性能沒有采用改進(jìn)措施前的性能=沒有采用改進(jìn)措施前執(zhí)行某任務(wù)的時(shí)間采用改進(jìn)措施后執(zhí)行某任務(wù)的時(shí)間8/9/202218Amdahl定律（續(xù)1）通過增加E 獲得的加速比沒有E 時(shí)的執(zhí)行時(shí)間加速比（E ）=增加E 后的執(zhí)行時(shí)間增加E后的性能沒有

8、E 時(shí)的性能=8/9/202219Amdahl定律（續(xù)2）改進(jìn)后(有E)整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間Tn=T0(1-Fe+Fe/Se)Fe:可改進(jìn)部分的時(shí)間占總體時(shí)間的比率Se:改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高的倍數(shù).改進(jìn)后(有E)整個(gè)系統(tǒng)的加速比Sn= T0 /Tn=1/(1-Fe)+Fe/Se8/9/202220例1 假設(shè)某系統(tǒng)的某一部件處理速度加快的到10倍,但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間的40%,則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少?解: Fe=0.4,Se=10Sn=1/(1-0.4+0.4/10)1.568/9/202221例2.浮點(diǎn)指令的性能改進(jìn)了兩倍，但只有10%的指令是浮點(diǎn)指令

9、，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少?解:新的執(zhí)行時(shí)間=舊的執(zhí)行時(shí)間(0.9+0.1/2)=0.95 舊的執(zhí)行時(shí)間加速比=1/0.9+0.1/2=1/0.95=1.0538/9/202222例3采用哪種實(shí)現(xiàn)技術(shù)使求浮點(diǎn)數(shù)的平方根FPSQR的操作對(duì)系統(tǒng)性能的影響最大.假設(shè) FPSQR占整個(gè)測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間的20%.一種實(shí)現(xiàn)方法是采用 FPSQR硬件,使FPSQR操作的速度加快到10倍.另一種實(shí)現(xiàn)方法是使所有浮點(diǎn)數(shù)指令FP的速度加快到2倍,假設(shè)FP指令占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的50%.請(qǐng)比較這兩種設(shè)計(jì)方案.8/9/202223例3的解解: S1=1/(1-0.2)+0.2/10=1.22 S2=1

10、/(1-0.5)+0.5/2=1.33應(yīng)選哪一個(gè)方案最佳？8/9/2022243. CPU性能公式CPU時(shí)間= CPU時(shí)鐘周期數(shù)/頻率CPU時(shí)間= CPU時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度指令數(shù) CPI 時(shí)鐘頻率程序編譯器指令體系結(jié)構(gòu)組成工藝技術(shù)8/9/202225CPICPI:每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù).IC:指令條數(shù).CPI = CPU時(shí)鐘周期數(shù)目/ICCPU時(shí)間=(IC CPI) /頻率CPU的時(shí)鐘周期總數(shù)=(CPIiIi)Ii: i指令在程序中執(zhí)行的次數(shù)(指令頻率).8/9/202226CPU性能公式(續(xù))CPU時(shí)間 = (CPIiIi)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度i=1n CPI= (CPIiIi)/ICi=1n

11、 8/9/202227例4如果FP操作的比例為25%, FP操作的平均CPI=4.0,其他指令的平均CPI為1.33,FPSQR操作的比例為2%,FPSQR操作的CPI為20.假設(shè)有兩種設(shè)計(jì)方案,分別把FPSQR操作和FP操作的CPI減為2.試?yán)肅PU性能公式比較這兩種設(shè)計(jì)方案.8/9/202228例4 的解答原系統(tǒng)的CPI=4.025%+1.3375%=2.0方案1的CPI=原系統(tǒng)的CPI-2%(20-2)=1.64方案2的CPI=原系統(tǒng)的CPI-25%(4-2)=1.5方案2的加速比=2/1.5=1.33哪一個(gè)方案更合理?8/9/2022294.訪問局部性原理時(shí)間局部性最近要訪問的的信息

12、,很可能是現(xiàn)在正在訪問的信息.空間局部性最近要訪問的的信息,很可能是與現(xiàn)在正在訪問的信息,在存儲(chǔ)空間上是相鄰的或相近的.8/9/2022301.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能的組織邏輯設(shè)計(jì)物理實(shí)現(xiàn)確定用戶對(duì)功能、價(jià)格、性能要求軟硬件平衡適應(yīng)發(fā)展方向8/9/202231確定用戶對(duì)功能、價(jià)格、性能要求功能是主要地位，具體的功能要求包括：應(yīng)用領(lǐng)域軟件兼容層次操作系統(tǒng)需求標(biāo)準(zhǔn)8/9/202232軟硬件平衡軟硬件合理分配軟硬件在邏輯功能上等效特殊的要求一般需配置相應(yīng)的硬件考慮設(shè)計(jì)的復(fù)雜性8/9/202233適應(yīng)發(fā)展方向應(yīng)能較長(zhǎng)久的經(jīng)得起軟硬件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用變化。程序所需的存儲(chǔ)容量高

13、級(jí)語言代替了匯編語言編程模式的變化8/9/2022341.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法由下往上設(shè)計(jì)由上往下設(shè)計(jì)由中間設(shè)計(jì)8/9/2022351.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)性能成本速度功耗程序和數(shù)據(jù)的容量編程的難易程度8/9/2022361.3.1 性能衡量機(jī)器性能唯一固定可靠的標(biāo)準(zhǔn)是執(zhí)行程序的時(shí)間.1.主要標(biāo)準(zhǔn)(1)MIPSMIPS=指令條數(shù)(執(zhí)行時(shí)間106)=時(shí)鐘頻率(CPI 106)程序的執(zhí)行時(shí)間Te=指令條數(shù)(MIPS 106)8/9/202237MIPS的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：MIPS依賴于指令集同一臺(tái)機(jī)器，不同程序MIPS不同MIPS可能與性能相反8/9/202238（2）MFLOPS公式：

14、MFLOPS=程序中浮點(diǎn)操作次數(shù)(執(zhí)行時(shí)間106)優(yōu)點(diǎn)：可以比較不同的機(jī)器缺點(diǎn)：不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能不太可靠8/9/202239（3）基準(zhǔn)測(cè)試程序?qū)嶋H應(yīng)用程序:如編譯程序,文本處理軟件,工具軟件等.核心程序:從實(shí)際程序中抽取關(guān)鍵循環(huán)程序段.如Livermore Loops, Linpack等.玩具基準(zhǔn)測(cè)試程序:如Sieve of Erastosthenes,Puzzle,Quicksort.綜合基準(zhǔn)測(cè)試程序:綜合考慮各種操作和各種程序人為編制的測(cè)試程序,如Whetstone,Dhrystone等.8/9/2022402. 性能比較表1.1 程序1和程序2在三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間A機(jī)B機(jī)C機(jī)程序

15、11秒10秒20秒程序21000秒100秒20秒總時(shí)間1001秒110秒40秒8/9/202241性能比較方法(續(xù)1)(1) 總執(zhí)行時(shí)間：一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)平均執(zhí)行時(shí)間Am=1/nT i調(diào)和平均時(shí)間Hm=n/（1/Ri）(2)加權(quán)執(zhí)行時(shí)間加權(quán)算術(shù)平均Am=WiT i加權(quán)調(diào)和平均Hm= Wi/Ri-18/9/202242性能比較方法(續(xù)2)表1.2 加權(quán)執(zhí)行時(shí)間A機(jī)B機(jī)C機(jī)程序11秒10秒20秒程序21000秒100秒20秒W(1) 500.50秒55秒20秒W(2) 91.82秒18.18秒20秒W(3) 2.00秒10.09秒20秒W(1)=(0.5,0.5)W(2)=(0.909,0.091)

16、W(3)=(0.999,0.001)8/9/202243性能比較方法(續(xù)3)幾何平均 G=（ ETRi）1/nG(Xi)/G(Yi)=G(Xi/Yi)in8/9/202244性能評(píng)測(cè)總結(jié)算術(shù)平均或加權(quán)平均值追蹤執(zhí)行時(shí)間。調(diào)和平均或加權(quán)調(diào)和平均值追蹤執(zhí)行時(shí)間。為了按比例伸縮性能，規(guī)格化執(zhí)行時(shí)間很便捷。例如，參照機(jī)器的時(shí)間被評(píng)測(cè)機(jī)器的時(shí)間.幾何平均能平等對(duì)待所有改進(jìn)情況:例如， 程序1從2秒減少到1秒 與 程序2從2000秒減少到1000秒平等對(duì)待！8/9/202245為什么要對(duì)規(guī)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何平均？ Time on A Time on B Normalized to A Normalized

17、to B A B A BProgram A1 10 1 10 0.1 1Program B1000 100 1 0.1 10 1Arithmetic500.5 55 1 5.05 5.05 1Geometric31.6 31.6 1 1 1 18/9/2022461.3.2 成本價(jià)格=成本+利潤成本=開發(fā)成本+生產(chǎn)成本軟件成本=軟件開發(fā)成本+軟件生產(chǎn)成本硬件成本=硬件開發(fā)成本+硬件生產(chǎn)成本1.成本指標(biāo)(1)開發(fā)成本(2)生產(chǎn)成本8/9/202247成本趨勢(shì)示意圖成本19501990硬件軟件成本產(chǎn)量8/9/2022482. 硬件考慮問題:隨著硬件成本的下降,是否將來可以毫不吝嗇的使用硬件進(jìn)行系統(tǒng)

18、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?8/9/2022498/9/202250集成電路的成本晶模成本：與晶模大小有關(guān)。封裝成本：取決于管腳數(shù)量和散熱要求。8/9/2022518/9/2022521.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展馮諾依曼結(jié)構(gòu)軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響價(jià)格對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響VLSI對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響技術(shù)的發(fā)展對(duì)價(jià)格的影響算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8/9/2022531.4.1 馮諾依曼結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器提供可按地址訪問的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)指令的執(zhí)行是順序的機(jī)器以運(yùn)算器為中心8/9/20225440年來系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)從串行算法到并行算法出現(xiàn)了

19、高級(jí)語言機(jī)器、直接執(zhí)行高級(jí)語言機(jī)器出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機(jī)器、數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流機(jī)器、歸約機(jī)出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了容錯(cuò)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了分布計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了智能計(jì)算機(jī)8/9/2022551.4.2 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件的可移植性問題的三種解決方法:1.采用系列機(jī)方法2.采用模擬與仿真方法3.采用統(tǒng)一的高級(jí)語言方法8/9/202256采用系列機(jī)方法系列機(jī)：是指同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器.例如:IBM370系列機(jī):370/115、125、135、145、158、168等。DEC系列機(jī)：VAX-11/780、750、

20、730、725等。系列及為了保證軟件的兼容，限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。8/9/202257采用系列機(jī)方法（續(xù)）向上（下）兼容：低（高）檔機(jī)器上運(yùn)行的軟件可以運(yùn)行于高（低）檔機(jī)器上。向前（后）兼容：后（先）投入市場(chǎng)的機(jī)器上運(yùn)行的軟件可以運(yùn)行在它之前（后）投入市場(chǎng)的機(jī)器上。向后兼容一般有求做到,力爭(zhēng)向上兼容。兼容機(jī)：不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。例如Amdahl470/480與 IBM370，長(zhǎng)城與IBM PC兼容。8/9/202258采用模擬與仿真方法模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令。仿真：用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng)的方法。8/9/202259采用統(tǒng)一的高級(jí)語言方法統(tǒng)一高級(jí)語言可以解決結(jié)構(gòu)相同或不同的各種機(jī)器上的軟件移植，但短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。不同用途要求語言有不同的語法結(jié)構(gòu)和語義結(jié)構(gòu)。對(duì)于語言的基本結(jié)構(gòu)難以有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。慣性的影響。8/9/2022601.4.3 價(jià)格對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響8/9/202261改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩條重要途徑性能或價(jià)格較小的變化產(chǎn)生比原系統(tǒng)好的