計算機體系結(jié)構(gòu)-l1ca基本概念

第1鄭計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 本章計算機系統(tǒng)的多級層次計算機體系結(jié)構(gòu)、組成與軟硬取舍與計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機設(shè)計的量化影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并計算機系統(tǒng)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系 (程序(程序和數(shù)據(jù)控輸入/控數(shù)數(shù)據(jù)通計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系Desktop Laptop計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 第一臺電子計算17468個電子60000個電阻10000個電容6000個開160平方1745000次加法/年 日，第一臺通用可編程電子計算ENIAC由賓夕法尼亞大 電機學(xué)院研制成計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) EDSAC,UniversityofCambridge,UK,第一 程序的計算計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 現(xiàn)代的計算

SensorSet-topSensor

77計算機體系

北理工計算機

計算機技術(shù)的從器件發(fā)展電子管、繼電 晶體管磁介集成電路大規(guī)模和超大規(guī)從計算機系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展從結(jié)構(gòu)發(fā)展單個CPU流水線機多處理機大規(guī)模的并行處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機技術(shù)的變址技術(shù)中斷技術(shù)微程序技術(shù)緩沖技術(shù)共享重用技術(shù)虛擬技術(shù)串行標量處理流水處理并行分布式高性能并行計算智能計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機技術(shù)的從編程語言發(fā)展由低機器語言匯編語言高級語言應(yīng)用從性性能提升，價格下降，性能計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機技術(shù)的器件技術(shù)的發(fā)展（決定性因素體系結(jié)構(gòu)技技術(shù)技術(shù)進步：以穩(wěn)定速度發(fā)展，主要指IC技創(chuàng)新設(shè)計：發(fā)展速度不穩(wěn)定，有時快計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 微處理器性能計計算機體系結(jié)構(gòu)重性能提高率的貢獻超過技術(shù)進步貢獻達15倍之多。 :25%/year1978toRISC+x86:52%/year1986toRISC+x86:18%/year2002to計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)：軟件＋硬件，復(fù)雜 器和外計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系統(tǒng)的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系統(tǒng)的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 個人計算機系硬 電源導(dǎo)線和電擴展

擴展卡

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 個人計算機系計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 個人計算機系4365217計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系統(tǒng)典 I/OI/O總總線控制器總線控制器總主網(wǎng)鍵鼠顯計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 一個簡單的嵌 公共計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)不同應(yīng)用，功能要不同應(yīng)用，功能要求不同科學(xué)計算：高性能浮點商業(yè)：事務(wù)處理和十進制通用：對多種任務(wù)性能OS、編程性能：程序運行時價格：應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件能耗：峰值功率，以及每個操作所系統(tǒng)可靠性：計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 性能價格計算機設(shè)性能價格

經(jīng)濟經(jīng)濟計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機設(shè)計者 實

不僅包括設(shè)計、實現(xiàn)，還包括測量和評 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系計算機系統(tǒng)功能的實現(xiàn)涉及很多方邏輯電路，功能CPU，數(shù)據(jù)通路，存貯指令運行時系統(tǒng)(runtime編譯器操作系統(tǒng)(operating(application)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系計算機系統(tǒng)是一個復(fù)雜的 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系多級層次結(jié)構(gòu)：對計算機系統(tǒng)的抽計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 數(shù)字邏硬件/數(shù)字邏硬件/軟微程序機器語操作系匯編語高級語應(yīng)用語第6第5第4第2計算機體系

北理工計算機

第1第0計算機系易 可用、、；計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系從學(xué)科領(lǐng)域來劃分第0和第1級屬于計算機組第2至第4級是系統(tǒng)第5級是應(yīng)它們之間仍有交叉第1級涉及匯編語言程第2級與計算機系統(tǒng)結(jié)在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系機和執(zhí)行程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的虛擬機（器以軟件為主這個計算機只對該級使用者實際由硬件或固件實現(xiàn)的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 理工計算機數(shù)字邏理工計算機數(shù)字邏應(yīng)用語言機器(應(yīng)用語言高級語言機器高級語言機器(高級語言操作系統(tǒng)機器(操作系統(tǒng)機器(作業(yè)控制語言匯編語言機器(匯編語言實際機微程序機器(微微程序機器(微指令集傳統(tǒng)機器(機器指令集

第4第1計算機體系結(jié)

第0多級層次結(jié)構(gòu)的有利于理解軟件、硬件、固件的地位理解各種語言的實 途探索虛擬機新的實現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)理解計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)Q1：各機器級是如何實現(xiàn)的呢實際上，只有二進制機器指令（即機器語言）可以直接被硬件識別和執(zhí)行，其上面各層機器級所使用的語言都必須被翻譯或解釋為較低層機器級上語言，由翻譯和解釋或這兩者的結(jié)合是各機器級計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)序不再被。

解釋 計算機體系結(jié) 機器級的實現(xiàn)可以想象在使用機器指令的實際機器上出現(xiàn)實際機器實際機器（機器指令虛擬機器（匯編語言第2L2(機器指令)由機L4(匯編語言)程序先翻譯成L2程序，而后由M1執(zhí)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)虛擬（匯編虛擬（匯編語言實際（機器指令虛擬（高級語言第2L5先翻譯成L4或L2，之后再由M4或M2實計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)實際機器（微指令）實際機器（微指令）虛擬機（機器指令計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)例如BASICLISP語言計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 高級語言機器(高級高級語言機器(高級語言，虛擬機器傳統(tǒng)機器(機器指令集，實際機器操作系統(tǒng)機器(作業(yè)傳統(tǒng)機器(機器指令集，實際機器操作系統(tǒng)機器(作業(yè)控制語言，虛擬機器匯編語言機器(匯編語言，虛擬機器微程序微程序機器(微指令集，實際機器

第1數(shù)字第數(shù)字計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)Q2：硬件實現(xiàn)，還是軟件實在邏輯功能上，軟件和硬件是等效實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)的功能也完全可以由模擬完計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件固件(Firmware)是指那些在能永久計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)Q2：硬件實現(xiàn)，還是軟件實在邏輯功能上，軟件和硬件是等效實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)的功能也完全可以由模擬完但軟件和硬件的性能價格比是不等效計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)軟件與硬件實現(xiàn)的硬件軟件速度快、成占用速度占用內(nèi)存多計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)成本硬軟成本硬軟軟 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器級的實現(xiàn)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多級層次結(jié)構(gòu)的有利于理解軟件、硬件、固件的地位理解各種語言的實 途探索虛擬機新的實現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)理解計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系計算機計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)的相互計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1964年，在推出IBM360系統(tǒng)時，

被認為是有史以來最偉大的計算機設(shè)計師之1922年生 南達科他州1948年畢業(yè)于南達科他大學(xué)，獲電氣工程學(xué) 1952年又獲威斯康星大學(xué)博 曾在IBM工作，是IBM704計算機的主要同時也是360系列計算機研制的技 人物之一360系列計算機不僅是第三代集成電路計算機而且還開創(chuàng)了計算機通用化、系列化和標準化的先例計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) G.M.AmdahlOriginalOriginalIBMTodescribetheattributesofasystemasseenbytheprogrammer,i.e.,theconceptualstructureandfunctionalbehavior,asdistinctfromtheorganizationofthedataflowandcontrols,thelogicaldesign,andthephysicalimplementation.計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 基于多級層次結(jié)構(gòu)的定計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 因此Amdahl計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 操作操作系統(tǒng)機匯編語言機高級語應(yīng)用語計算機屬性≡界微程序傳統(tǒng)機計算機體系結(jié) 北微程序傳統(tǒng)機

第2第1計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 在 體系結(jié)構(gòu)定義中計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 指指令集（instruction“指令集結(jié)構(gòu)”就是軟硬件之間的界面計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 指令集結(jié)構(gòu)軟硬件之間的界址方式、器結(jié)構(gòu)等。計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 傳統(tǒng)機器級的屬性：概念I(lǐng)BM360系列計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 算術(shù)和邏輯處理單傳統(tǒng)機器算術(shù)和邏輯處理單大容大容器通 控制單 設(shè)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 傳統(tǒng)機器級的屬性：概念 PCI

器AGP器

器PCI器PCI設(shè)PCIPCI設(shè)PCI設(shè)ISA/USB總 I/OI/O設(shè)I/OPC概念性結(jié)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 傳統(tǒng)機器級的屬性：功能特計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 傳統(tǒng)機器級的屬性：功能特 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 傳統(tǒng)機器級的屬性：功能特輸入輸出系統(tǒng)：I/O連接方式、處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 透明性透明性定計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 透明性計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) MadebyMadebyyticalFirstprogrammedFirstelectronicHowardMarkElectromagneticMauchley&ENIACVacuumtubes,computedartillerytablesJohnFirststoredprogramannKenOlsonPDP-1andPDP-Transistors,SeymourCDCFirstIntegratedcircuits,firstofFirst32-IBMalcomputerFirstcommercialRISCFirst64-al計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系結(jié)每個機器級都有其自己的系統(tǒng)結(jié)這里要學(xué)習(xí)的計算機體系結(jié)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機Computer對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯所解決的問題：優(yōu)化性能/計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)操作對部件功能部件的控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)

價格、部件的使用頻操作對部件功能部件的控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.2.2計算機共享程度高：價格便設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)

但減低速操作對部件功能部件的控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.2.2計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)

順序串操作對部件功能部件的控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.2.2計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)操作對部件的共功能部件的并行

硬聯(lián)微程序控制單機/多機/功能分布處控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)操作對部件的共享程緩沖器及容功能部；控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)操作對部件的共享程化性功能部件的并行度化性控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機設(shè)計內(nèi)容包數(shù)據(jù)操作對部件的共享程功能部冗余、容錯等，以提高可控制機構(gòu)的組成方式緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機部件數(shù)據(jù)操作對部件功能部件的控制機構(gòu)的緩沖和排隊預(yù)估、預(yù)判可靠性技術(shù)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機Computer對計算機組成的物理實現(xiàn)，處理機、主存等部件的物理器件的集成度和器件、模塊、插件、底板的劃分和器件信號傳電源、冷卻、微組裝技術(shù)、整機裝配技其中，器件技術(shù)在實現(xiàn)技術(shù)中起主導(dǎo)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 體系結(jié)構(gòu)、組 的關(guān)即互相聯(lián)系，又互相影響不同體系結(jié)構(gòu)使用不同組成相同體系結(jié)構(gòu)可以采用不同一種組成可以有不同組成也會影響體系結(jié)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)相同體系結(jié)構(gòu)可以采用不同的組數(shù)據(jù)總線寬度不計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)相同體系結(jié)構(gòu)可以采用不同的組IBM370系列機字長、數(shù)的表示和數(shù)據(jù)通計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)組成也會影響體系結(jié)一種組成可以有不同的實例如雙極型的/MOS大容量單片/小容量多計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)指令系統(tǒng)的確定屬體具體電路、器件的設(shè)計及裝配技術(shù)等計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)采用何種邏輯結(jié)構(gòu)例如是否采用多體交叉)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān)此外，一種機器的體系結(jié)構(gòu)可能維持許多年，但機器的組成卻會隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷變化，其價格和性能也例例如，有3臺計算沒有有單級CPU片外第三臺計算機既有CPU片內(nèi)Cache，又有計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 的關(guān) 組成要考慮體系結(jié) 組成與實現(xiàn)不 的，需折中權(quán)衡組成簡單，實現(xiàn)復(fù)雜/組成復(fù)雜，實現(xiàn)簡實現(xiàn)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系結(jié)包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成兩部分計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系結(jié)“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”分為兩部分計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) LevelsofDesign }}計算計算機體系北理工計算機軟硬取舍在邏輯功能上，軟件和硬件是等效計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬取舍優(yōu)缺實速度快，占實計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取3軟硬件取舍原則軟硬件取舍原則軟硬件取舍原則計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則在現(xiàn)有器件和技術(shù)條件下，系統(tǒng)要有高主要考實現(xiàn)費計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則實現(xiàn)費用=設(shè)計費用(Ds+Dh)+重復(fù)生產(chǎn)費硬件設(shè)計費用(Dh軟件設(shè)計費用(Ds*硬件重復(fù)生產(chǎn)費(Mh軟件重復(fù)生產(chǎn)費(Ms*某功設(shè)計：1重復(fù)生產(chǎn)設(shè)計重復(fù)生產(chǎn)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則R=軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)(占用內(nèi)存、占用介質(zhì)C=該功能在軟件實現(xiàn)時需重V=生產(chǎn)數(shù)量(臺數(shù)每臺硬件實現(xiàn)費用Dh/V+每臺軟件實現(xiàn)費用C×Ds計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則只有Dh/V+Mh<C*Ds/V+100Ds/V+100Ms<C*Ds/V106/V+100<104*C/V+計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則結(jié)論1：當R(軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù))很大時，即某功能被經(jīng)常使用時，適宜用硬件實計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟硬件取舍原則 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機系出發(fā)點：多級層次三種設(shè)計思由上往下（Top-由下往上（Bottom-由中間開始（Middle-計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 性和環(huán)境，然后逐級往下設(shè)計計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 由上運行效率高，軟硬分配合適用 機的設(shè)缺點適應(yīng)性差，周期長，解決方不專門設(shè)計，從已有選型計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 可設(shè)計通用缺點硬件無法改變，軟件設(shè) 軟、硬件脫某些性能指標是 此方法很少計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 硬聯(lián)計算機體硬聯(lián)

優(yōu)點向上傳統(tǒng)機操作系匯向上傳統(tǒng)機操作系匯編語高級語應(yīng)用語縮短了研制交互式設(shè)計缺點微程序?qū)υO(shè)計人員微程序應(yīng)有有效的軟件設(shè)計環(huán)境北理工計算機學(xué) 計算機體系不僅僅包括軟硬件界面的定還包括性能

瓶和評

實

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 在所有可能的設(shè)計方案中不對計算機系統(tǒng)的各個部分進行取舍折設(shè)分費用設(shè)分分較差的方案普通方計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 性能響應(yīng)時間（執(zhí)行時間或延遲從任務(wù)開始到結(jié)束之間的全部時吞吐率(Throughput或帶寬):運算速度計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 響應(yīng)時間）與等待時間（用于磁盤、存儲器、I/O操作、操作系統(tǒng)開銷等通過運行“真實程序計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 響應(yīng)CPUCPU運行某程序時的工作時間，不包括等待時間和運行其它程序的CPU時間=用戶CPU時間+系統(tǒng)CPU時間用戶CPU時間：用戶程序所花費的CPU時間計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) “快”(Fast)的含“X比Y快”的含義是：對于給定任的響應(yīng)時間比Y少?！癤比Y快n倍”是指響響應(yīng)時間響應(yīng)時間由于響應(yīng)時間與性能成反比，又有11響應(yīng)時間響應(yīng)時間性能1性能性能性能計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 不同的量度應(yīng)編程語數(shù)據(jù)通

每秒操作每秒百萬條指令每秒百萬次浮點操作每秒時鐘數(shù)(時鐘速率計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 吞吐MIPSMIPS指令條CPU時間主要缺點：依賴于機器(指令系統(tǒng)，硬件等適合衡量標量處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 吞吐MillionsofFloatPointOperationsPer針對功能性指令 CPU時間106缺點 機器的整體性適于衡量向量處理機的1MFLOPS計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 吞吐率：其他它們之間的關(guān)系1MFLOPS=浮點運算X1GFLOPS=浮點運算X1TFLOPS=浮點運算X1PFLOPS=浮點運算X計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) CPU性能計算程序CPU時間的3主時鐘頻率fc(主頻，單位為反映了計算機實現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝和計(InstructionCounter)反映了計算機指令級的結(jié)構(gòu)和(CyclesperInstruction)反映了計算機實現(xiàn)技術(shù)、指令系統(tǒng)的結(jié)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能程序的總序的總時鐘CLKIC計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能fc和CPU時鐘周期TfcTfc計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能周期執(zhí)行的指IPC(InstructionsperCycle)表示。IPCIPC1計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能CPU性能CPU==xxTTICCPIICCPITTCLKCLKT計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能(ICiCPIinTi T(ICi(ICiCPIinTi T(ICiinCPIICin CPIICin in( CPIi1.4.2CPU性能MIPS與CPUMIPSMIPSTCPUICCPI1fc106IPCf106c計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能等效指令執(zhí)行時等效指令執(zhí)行時T(Winn等效指令速MIPSCPI(CPIinWi——第i種指令的CPIi——第i種指令的

Ti——第i種指令的執(zhí)行時MIPSi——第i種指令的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能、減法50％，乘法15％，除法5序控制15％，其他15計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能 若A機的CPU主頻為8MHz，則A機CPU時鐘周期為多少若B機的CPU主頻為12MHz，B機的平均指計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例1：解（1）A機CPUTCLK=1/8MHz0.125us（2）A機平均指令1/0.4MIPS2.5us（3）ACPI=2.5us/0.125us=B機的平均指令執(zhí)行=主頻0.6MIPS計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例2等效等效計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例3：0.80計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例4：假其它指令比較兩種方案哪個更①把浮點求平方根指令CPI降至②把所有浮點操作CPI降至2.5計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例4：CPI原①：除浮點求平方根之外的浮點指令的=(4-(2/25)×20)/=CPI=(2.61×23%)+(2×2%)(1.33×75%)②：CPI=(2.5×25%)+計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例5：某臺計算機只有Load/Store指令能對 指令類指令所占算邏1Load指2Store2轉(zhuǎn)移2計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能(1)求上述情況下的平均CPI，另一個必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指 種算邏指令，其特點是一個操作數(shù)取自寄存，另一個操作數(shù)取 器，即寄存器計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能例5：CPI=新算邏指令的比例指令類指令所占比21Load2Store指23新算邏指令的增加，減少了Load指令所占%計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.2CPU性能CPInew√×=√×CPInew12%×2＋24%×3)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機如：MIPS、3×500MHz＝1500計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機8臺機器組Cluster系統(tǒng)，每臺機器是4個PentiumIII500組解峰值指令速500MHz843＝即每秒480計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機算術(shù)平算術(shù)算術(shù)時間平均值A(chǔ)m1nnTi算術(shù)速率平均值A(chǔ)m1nn1nRinTi計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機調(diào)和平nnnnTi1Ri幾何性能平Gmi1nR1R2計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機 n算術(shù)平ni1算術(shù)時間平均值A(chǔ)mi1i1i1i1i1nn

WRWiiii計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)iiii1.4.3計算機iW調(diào)和平iWnn

Wnn幾何nniGm(Ri計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機例：比較下列哪些機器好計算機計算機計算機程序1程序總計權(quán)值權(quán)值權(quán)值程序程序總計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.3計算機例 算術(shù)平均ABC程序1程序算術(shù)平均執(zhí)行時間計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機ABCABCABC程序程序算術(shù)平均幾何平均算算術(shù)平均值因參考機器不同而不幾何平均值不隨參考機器的變化而變計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 性能評測評測程序：如 arks等硬件：費用、延遲、面積、功率等多種級別的(Rulesof基本定律/原注意：所有的性能評測均是針對時間計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 把應(yīng)用程把應(yīng)用程序中用得最頻繁的為評價計算機性能的標準程序，稱為 ark)五種評測程序：評測的準確度依次修改程小型基準程序。如：Livermoreloops、計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測五種評測程序：評測的準確度依次修改程小型基準程綜合基準程

例如：C編譯器、字處CAD軟件、圖像處理程序計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測五種評測程序：評測的準確度依次修改小型綜合計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測五種評測程序：評測的準確度依次修改程綜合計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測五種評測程序：評測的準確度依次修改過的程程小型基準程綜合基準程

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測五種評測程序：評測的準確度依次修改過的程程小型基準程綜合基準程

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測整數(shù)測VAX- 為每 Dhrystones，即1VAXMIPS＝1757計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測浮點測MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond或GFLOPS、計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 評測Whetstone基準測試組變址、條件轉(zhuǎn)移、函數(shù)。evaluationCooperative) 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) SPEC能夠全面反SPEC能夠全面反映機器的性能，具有很高的參考價值桌面計算

作為基數(shù) SPECCPU2000:12個整數(shù)基準程序,14個浮點基準程SPECviewperfSPECapc:圖像測試程服務(wù)SPECSPECSFS:測試NFS性SPECWeb:Webserver TPC-x:測量事務(wù)處理、排隊系統(tǒng)、決策支持、數(shù)據(jù)庫應(yīng)嵌入式處EEMBC:EDN嵌入式微處理器測試程 發(fā)布的測計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 測試程序 Lang.Ref. CCFPGACircuitPlacementandCCProgrammingLanguageCCombinatorialCGamePlaying:CWordCPERLProgrammingCCObject-orientedC PlaceandRoute計計測試程序 Ref. Physics/QuantumShallowWaterParabolic/EllipticDifferentialC3-DGraphicsComputationalFluidCImageRecognition/NeuralCImageProcessing:FaceCComputationalNumberTheory/PrimalityHighEnergyPhysicsAcceleratorMeteorology:Pollutanttt 理工

CINTCCCCCCArtificialInligence:CSearchGeneCArtificialInligence:C CCompressionDiscreteEventXML計算機

北理工計算機

FluidFluidQuantumCPhysics:QuantumPhysics/GeneralFluidFiniteElementImageRay-StructuralComputationalQuantumCFluid482.i3 北c 定量設(shè)程序局部性時間局最近的未來要用到的信息可能就是當前正在使用的空間局部最近的未來要用到的信息可能就是當前信息的相鄰計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.4.5定量設(shè)價格容量速度層速度

磁盤、磁帶、光主存L2CacheL1寄存程序局部性原理的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 定量設(shè)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 定量設(shè)計原理：Amdahl計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 加速比系統(tǒng)加速比系統(tǒng)性能改進后總執(zhí)行時間 總執(zhí)行總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間改進計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 系統(tǒng)加速比依賴于兩個因可改進比例0≤Fe≤1。1Fe表示不可改進部部件加速比下，Se＞1。計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) ToldToldSeSn1(1Fe)FeFeT1SeT12計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 性能遞減進，則改進越多，系統(tǒng)獲得的效果1/(1-Fe)(即Se→∞時)。計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1014114

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 可見，好”的計算機系“MaketheCommonCase計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Sn(FPSQR)Sn(FPSQR)11Sn(FP)1(10.5)1 增加專門的FPSQR硬件，可提高速度10倍；另一計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Amdahl定律解：由題意可知：Se=25，Sn=4Amdahl41(141(1Fe)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Amdahl定律請問程序的最大加速比可達多計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 11Sn1(1Fe)1(1Sn1(1Fe)1(110%)1010.90.1SSe10.90./

Sn

T0T'dT

1TdTe)T

T

(1FdFe)Fd 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)Amdahl定律計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Amdahl定律加速比=增強前時間/增強后=1/((1-0.2-計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Amdahl定律CISC，該RISC的加速比是多解：Sn

(1FdFe)Fd 1

11(10.940.01)0.945計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 影響系統(tǒng)要設(shè)計出好的計算機體系結(jié)必須掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 體系結(jié)構(gòu)在不提供支

進、催生技 新的應(yīng)用影響重大的4種技集成半導(dǎo)體計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 體系結(jié)構(gòu)在不1950sto(1970stomid–InstructionSet–especiallyISAappropriatefor–DesignofCPU,memorysystem,I/OMultiprocessors,–Non annarchitectures,DNAComputingQuantum(量子Computing計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 技術(shù)的重Newtechnologiesnotonlyprovidegreaterspeed,sizeandreliabilityatlowercost,butmoreimportantlythesedictatethekindsofstructuresthatcanbeconsideredandthuscometoshapeourwholeviewofwhatacomputeris.Bell&計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 技術(shù)是決定性IntegratedcircuitsVLSI(initially)Flashmemories,CoreMagneticLow計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) ButAspeoplewriteprogramsandusecomputers,ourunderstandingofprogrammingandprogrambehaviorThishasprofoundthoughslowerimpactoncomputerarchitectureModernarchitectscannotavoidattentiontosoftwareandcompilation計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 技 與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 問題的軟件成本越軟件產(chǎn)量和可靠性的重新研究合理的軟、硬件功能積累了大量 軟排錯比編 、軟件生產(chǎn)率不希解決：軟件的可移植性計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件的可移軟件不用修改或只需少量加工就能由一臺機器搬到另一臺機器上運行，即同一實現(xiàn)技術(shù)：3統(tǒng)一高級語采用系列機模擬計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 統(tǒng)一高采用統(tǒng)一的、不依賴于任何具體機器的通用高級語言編制應(yīng)用程序，則應(yīng)用軟采用通用高級語言編寫操作系統(tǒng)的全部或部分功能，則這部分系統(tǒng)軟件也可以 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 統(tǒng)一高問習(xí)慣的影響，不愿拋棄計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 統(tǒng)一高趨可以先統(tǒng)一成少數(shù)幾局部范圍內(nèi)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 采用系列統(tǒng)一匯編語言或機器語言，實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)系列機定有不同組成的一系列不同型號的普遍并成功計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) IBM兼容性問60年代初期，IBM有4→→小型通用計算→→每個系統(tǒng)擁有其自己I/O系統(tǒng)，輔存：磁帶，磁鼓，磁匯編程序，編譯市場 ，科學(xué)計算，實時計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) IBMS/360目標（部分1.用一個系列機替代已經(jīng)成功、但不兼容的那些計2.提供“可以滿足各種數(shù)據(jù)處理需求的可擴展3.提供“程序嚴格兼容”的處理機，以保證任何型號的器都能容易地滿足用戶不斷擴展的需，發(fā)布了S/360系首次提供的產(chǎn)品包括、、、、計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) IBMS/360計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) IBMS/360相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的組成 相同的指令系統(tǒng)，分別采用順序執(zhí)、流水和并行處理方的寬度則分別為、、、位。計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PC Pro、PentiumMMX；不同的不同的機器字長：8位（8088）/16（80286）/32位（80386）/64計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PC計算時處理字主要I/O總空PC和PC16PC20PC位2480386位3280486位32Pentium3232PentiumIIPentium3232PentiumIIIPentium32PCI+AGP32Pentium4Pentium32PCI-X+AGP32計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PCPCATI/OI/O器PCXT和PC計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PC

處理器總線VL總 器 VL器VLISAI/OI/OPC80386計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PC

總線控制器 總線控制器器PCI總總線總線控制器PCIISA/USBI/OI/O計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PentiumPentium

總線控制器總線控制器器AGPPCI總AGP總線總線控制器PCIISA/USBI/OI/O計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) PentiumPentium

總線控制器 總線控制器器PCI/PCI_E總總線控總線控制器PCI設(shè)PCI_E設(shè)USBUSBUSB設(shè)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 采用系列與“從中間開始”的設(shè)計方法相呼較好地解決了軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定與 各檔機器的軟件兼容，因為程序員看到計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件兼容定通過采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 向上（下）

機器按某檔機器編制的軟件，向上不加修改就能運行于比它兼容高（低）檔的機器上。向前（后）兼 向

當前在按某個時期投入市場的該型號機器上編制的軟件，不加修改就能運行于在它之前（后）投

兼 向 向兼 兼時計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 系列機軟件兼系列機軟件必須保證向后兼容，力爭做系列機中各檔機器的性能價格比計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 采用系列系列機方法的優(yōu)點系列機之間軟件兼容，可移插件、接口等相互兼便于實現(xiàn)機便于維修、培訓(xùn)有利于提高計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 采用系列系列機方法的主要缺點 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 采用系列兼容機定不同廠家生產(chǎn)的具有相兼容機的 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 模擬與問題的軟件移植系列機相同系不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 模擬與模擬用一種機器(A)的機器語言解釋實現(xiàn)另一種機器的指令系統(tǒng)，使具有的指令系統(tǒng)，從被模擬的——虛擬模擬用的——宿主解釋程序——模擬程計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 3模擬與實際機（機器指令虛擬機器（操作系統(tǒng)虛擬機器（應(yīng)用語言虛擬機器實際機（機器指令虛擬機器（操作系統(tǒng)虛擬機器（應(yīng)用語言（高級語言虛虛擬機器（匯編語言虛擬機器（操作系統(tǒng)實際機器（機器指令B虛擬機器虛擬機器（操作系統(tǒng)實際機器（機器指令實際機器（微程序）圖用實際機器（微程序）計算機

北理工計算機

A虛擬機器系

模擬與模擬內(nèi)數(shù)據(jù)表示 系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)等，形模擬程序很不能被硬件直接執(zhí)行，速度較低、實時性計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 模擬與仿真用一種機器(A)的微程序直接解釋實現(xiàn)另一種機器(B)的指令系統(tǒng)，從而實現(xiàn)軟件移植被仿真的———目標進行仿真的——宿主解釋微程序——仿真微計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 3模擬與實際機（微程序虛擬機器（操作系統(tǒng)虛擬機器（應(yīng)用語言虛擬機器實際機（微程序虛擬機器（操作系統(tǒng)虛擬機器（應(yīng)用語言（匯編語言虛擬機器（操作系統(tǒng)實際實際機器（機器指令實際機器（機器指令B虛擬機器系仿真方法實現(xiàn)軟件

A虛擬機器植計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 模擬與仿真內(nèi)數(shù)據(jù)表示、 系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等，形成優(yōu)點被移植的軟件運行速仿真程序更計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 模擬與仿真：使用微程序，解釋程序在控存模擬：使用機器語言，解釋程序在主模擬方法運行速度低，仿真仿真需要較多的硬件（包括控 器通常將模擬和仿真混計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件的可移植性（小結(jié)統(tǒng)一高級計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件的可移植性（小結(jié)系列計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件的可移植性（小結(jié)問題：結(jié)構(gòu)差別大時，效率和速度急計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 軟件的可移植性（小結(jié)速度損失小，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移需結(jié)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 應(yīng)用對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的發(fā)展有重要的影響。應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出廣泛要求，其中一程序可移植高性能價格易于計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.240~50年代科學(xué)簡單通用50年代中/時機60同時支持商業(yè)、事良性循計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.6.260年代70年代容錯技70特高速應(yīng)用，數(shù)據(jù)70高速陣列處理部數(shù)組處理8090知識處理，智能然語言理解計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 分器體系結(jié)構(gòu)技軟件技典型機第一電子管和繼電程序計算機程序控制晶體管印刷電浮點數(shù)尋址技術(shù)、中斷I/O高級語言和編譯批處理系序先行處理、系列算多道程序和分操作系DECPDP-8向量處理、分式并行與分布處路指令級并行SMP、MPMPP可擴展并行與布處SGICrayT3EIBMxServerSunE10000計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 應(yīng)用需求的程序及數(shù)據(jù)所使用器容量的不斷增大：程序所需的器容量平均每年遞程序的DRAM技術(shù)的發(fā)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 應(yīng)用需求的通用計PCs工作站/服務(wù)器，小型

嵌入式系計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 應(yīng)用需求的微機系性能價$1000$10,000$100$1000處理器服務(wù)吞吐量(throughput可用性（availability）可擴展$10K$10M$200$2000處理器嵌入式系低價位低功耗實$10$100,000$0.20$200處理器計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機器性能隨時間動態(tài)增強，價格不斷降處理性能和價格的兩種途計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.2價）等性能

年性能、價格、時間計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點看，各檔(型)計算機機器上，甚至照搬高檔(型)的系統(tǒng)虛 器數(shù)據(jù)表示，I/O流水，并行；計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機使用的基本器小規(guī)模計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3晶體管密度每年以35%增長，4年翻2番尺寸每年增長使得每 上晶體管每年增長計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 歷史從4004世界上第一臺微型電種器之計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)歷史從這里飛P4AP4A80586:AMDK5、Cyrix64位DEC：AlphaIBM、MotorolaSGIPENTIUMProPentium1997：PENTIUM PENTIUMIIIAMD計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)

歷史在這里使頻率不斷AMDThunderbirdVIAPENTIUMIV，超線程億個晶體2MBL2，外頻533MHz億個晶體2計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)

歷史在這里使PentiumSunUltraSPARCIV.8MB緩存/核,2.4GB/s內(nèi)存 ：6 ：6presler-PentiumD945,4MB

GA775 3計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多核技術(shù)持續(xù)管管線晶

端計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多核技術(shù)日趨2008,2008,45nm,原生四計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多核技術(shù)日趨 AMDPhenomX38750，羿龍 程技術(shù)、SSE4.2，8MBL3（游戲、影 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 集成電路邏輯計算機

北理工計算機

圖Advancesin SPECInt95SPECInt9542XClockSpeed 2XIPC

81.3(projected)PentiumIV2.8GHz45.2(projected)PentiumIV1.7GHz Pentium

PPro(superscalar,out-of-

(superscalar,out-of- 80486DX266MHz

PentiumII(superscalar,out-of- 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Advancesin 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 集成電路邏輯

微處理器晶體

Itanium?2

Pentium?IIIProcessor Pentium?4

Pentium?

Pentium?II

386?

486?DX

微處理器中可以集成的晶體管數(shù)目：20084.1CMOS技術(shù)提高情況：線寬每7年降低一半邏輯電路： 晶體管數(shù)以50%-80%/y的速率增長（密度和尺寸）計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) Moore(Moore’sOriginaldefinition(Moore,1965):Microprocessortransistorcountdoubleseveryyear.Thenchangedto“doublesevery2years”.Sincethen,othermeasureswereused,suchasprocessingpower,complexity,etc.anddoublingtimesettledat18計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 集成電路邏輯計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 器件發(fā)SizeSize半導(dǎo)體

1

41

256每3-4年增加4倍時間平10年減少

計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)1.5.3器件發(fā)磁 技 時間過去10年縮短了網(wǎng)絡(luò)技近年來帶寬提高速度如以太網(wǎng)從10Mbps提高到100Mbps花了計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3器件發(fā)容延遲邏2x42x42x32x10磁4x22x10Network(bandwidth10x5計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 器件發(fā)計算機已經(jīng)發(fā)展了計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3器件發(fā)6070年代非用微程70計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3器件發(fā)第一第二

理

普林斯頓ISAENIAC、UnivacLARC、

SSI和MSI

流水線、Cache、多道程序

IBM360/370第四第五

多層印刷路、微LSI和VLSI高性能微

先行處理、列計算 量、超

分時操作統(tǒng)大規(guī)模、

CDC6600/7600DECVAX9000、Convax-(1991-

理器、高

水、SMP、MP、擴展并行

SP2、度電計算機體系

分布處北理工計算機

1.5.3器件發(fā)改變了邏輯設(shè)計的傳統(tǒng)邏輯簡化充分利用VLSI，獲得更高的性縮短周期，提高效能，使用大批量生產(chǎn)的硬的邏輯設(shè)計微程序、微高級語言CAD等軟的設(shè)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3器件發(fā)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“下移”的速度大型機的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)、OS等很快多個CPU促進了算法、語言和軟件的并行處理機/網(wǎng)絡(luò)并行算法、并行語言、計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.5.3器件發(fā)總器件的發(fā)展是推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成前進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者要密切了解器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，關(guān)注和分析新器件的出現(xiàn)和集成度的提高會給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的來什么樣的新途徑和新方計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 技 與體系結(jié)構(gòu)設(shè)功“功耗墻”（Power“頻率墻”（Frequency不能僅僅依靠提高處理器的主頻來提高計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 技 與體系結(jié)構(gòu)設(shè)10Processor10ProcessorMemory1MemoryCalendaryea

處理器性能 系統(tǒng)性能之間存在巨大差 墻Memory計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)技 與體系結(jié)構(gòu)設(shè)處理處理器I/O主頻主頻處理器的主頻與I/O總線時鐘頻率之間存在巨大（I/O墻I/O計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)并行性是提高系統(tǒng)性能的有效途并行性可以同時進行運算或操作的特性，包含同時性(simultaneity)：并發(fā)性(concurrency)：同一時間間隔內(nèi)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時t并發(fā)性：可以同時 或交錯執(zhí)t并行性從執(zhí)行程序的角度看，分為五級(低→高指令內(nèi)部：指令之間：線程級并行：任務(wù)或進程之間：多個任務(wù)或程序段的并行執(zhí)行；作業(yè)或程序之間：多個作業(yè)或多道程序的并行執(zhí)實現(xiàn)上述并行性的方法是不計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 并行性位串字串：一個字的一位，串行單處位并字串：一個字的全部位，并行單處理位串字并：許多字的同一位，并行處理領(lǐng)全并行：許多字的全部或部分字位計算機體系

北理工計算機

并行性從信息加工的步驟和階段看，分為(低→高 (多體多字)并 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 并行性從信息加工的步驟和階段看，分為(低→高（續(xù)處理器操作并行：重復(fù)設(shè)置大量處理單元，在同一個控制器的控制下，對多個數(shù)據(jù)組同時操作指令、任務(wù)、作業(yè)并行：多個處理機同時對多條多處理機；計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 時資源資源計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 時計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 時取分取分執(zhí)部執(zhí)k執(zhí)k分 k分kk取k取k 時 時 處理方計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)資源引入空間因素，重復(fù)設(shè)置多套提高速度，同時提高可CU：控制單 PE：處理單圖資源共享處理計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 資源計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 計算機1960流水線單處1990年以享虛擬器的異構(gòu)型計算機網(wǎng)計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 途徑1：時 （主要途徑基礎(chǔ)：部件功 化把每一部分指定給一個專門的部件完 起來，使所有部件依次分工完成一組計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) （EX） 器部件（M）和寫果部件計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 時IFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWB執(zhí)指令 指令 指令I(lǐng)FIDEXMWB時 IFIDEXMWB執(zhí) IFIDEXMWB

指令計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué)形成了：指令流水線，操作流發(fā)展出了：向量處 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 異構(gòu)型（非對稱型）多處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 途徑2：資源重復(fù)（已普遍使用基礎(chǔ)：部件冗多操作部件， 發(fā)展出：并行處理機，相聯(lián)進一步用處理機代替冗余部件，形成（對稱型）多處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 同構(gòu)型（對稱型）多處理機計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 途徑3：資源共多道程序，分時多終端 終端，智能終計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 分布處理計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 并行處理計算機有四種基本流水線計主要通過時間，各處理機為非對稱異構(gòu)型處理陣列計主要通過資源重復(fù)，各處理機為對稱同計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 并行處理計算機有四種基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）：并行。根據(jù)是否共享內(nèi)存，分為緊耦合、松耦數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)控制流機器采用的通過共享單元讓數(shù)據(jù)在指令之間傳遞的方法，數(shù)據(jù)流計算機沒有通常的共享變量的概念，數(shù)據(jù)是以表示某一操作數(shù)或參數(shù)已經(jīng)準備就緒的數(shù)據(jù)令牌的計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多機系統(tǒng)包多處多計計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多處理機由多臺處理機組成的單一計各處理機有自己的控制部件、局部器，由邏輯上統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制，處理機之計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 多計算機由多立的計算機組成的實現(xiàn)作業(yè)間計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 分為計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 最低耦各種脫機系除通過某種中間介質(zhì)外，各計算機之間例如獨立計算機系統(tǒng)由主機和計算帶、磁盤、紙帶等對主機輸入/輸出提供支計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 松散耦享某些如磁帶、磁盤等設(shè)備，以較低頻有以下兩種計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 功能化的多臺計算機通過通道與共享外數(shù)據(jù)集形式送到共享設(shè)備，供其他機器計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 各臺計算機通過通信線路連成計機網(wǎng)絡(luò)，計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 松散耦合（續(xù)特點：系統(tǒng)是非對稱的，采用異步方優(yōu)點：結(jié)構(gòu)靈活，系統(tǒng)易于范圍：非常適合于分計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 緊密耦合（或直接耦合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集級、任務(wù)級、作業(yè)級 計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 功 處理機（松散耦合系統(tǒng)高級語言處理機、數(shù)據(jù)庫處異構(gòu)型多處計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 機間互可重構(gòu)、容緊密同構(gòu)型多處計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 網(wǎng)絡(luò)互通信處理機 網(wǎng)局部分布計算機體系結(jié) 北理工計算機學(xué) 1.6.3計算機無論是單處理機還是多計算機系統(tǒng)，按不同技術(shù)途徑，均朝著以下三個方向發(fā)同構(gòu)型多處異構(gòu)型多處分布式多處它們是三種不同而有代表性的計算機系計算機體系結(jié) 北理工計