計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念第一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展得益于兩個(gè)方面計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展過(guò)程1.1引言第二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一時(shí)間原因每年的性能增長(zhǎng)1946年起的25年兩種因素都起著主要的作用25%20世紀(jì)70年代末－80年代初大規(guī)模集成電路和微處理器出現(xiàn),以集成電路為代表的制造技術(shù)的發(fā)展約35%20世紀(jì)80年代中開始RISC結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷更新和變革，制造技術(shù)不斷發(fā)展50%以上維持了約16年2002年以來(lái)3個(gè)（見下頁(yè)）約20%1.1引言第三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.1引言功耗問(wèn)題（已經(jīng)很大）。可以進(jìn)一步有效開發(fā)的指令級(jí)并行性已經(jīng)很少。存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度的提高緩慢。第四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.1引言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)折：從單純依靠指令級(jí)并行轉(zhuǎn)向開發(fā)線程級(jí)并行和數(shù)據(jù)級(jí)并行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)的發(fā)展中有著極其重要的作用。第五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件/固件＋軟件計(jì)算機(jī)語(yǔ)言從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展高一級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句相對(duì)于低一級(jí)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級(jí)語(yǔ)言為基礎(chǔ)。從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。每一層以一種語(yǔ)言為特征1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一軟件硬件或固件第七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念

虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)翻譯：先把N+1級(jí)程序全部轉(zhuǎn)換成N級(jí)程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級(jí)程序，在執(zhí)行過(guò)程中N+1級(jí)程序不再被訪問(wèn)。解釋：每當(dāng)一條N+1級(jí)指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的N級(jí)指令，然后再去取下一條N+1級(jí)的指令，依此重復(fù)進(jìn)行。

解釋執(zhí)行比編譯后再執(zhí)行所花的時(shí)間多，但占用的存儲(chǔ)空間較少。第八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典定義程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。透明性在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來(lái)存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義第九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念A(yù)mdahl提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性。廣義的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義：指令集結(jié)構(gòu)、組成、硬件（計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的3個(gè)方面）對(duì)于通用寄存器型機(jī)器來(lái)說(shuō)，這些屬性主要是指：指令系統(tǒng)包括機(jī)器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機(jī)構(gòu)等。數(shù)據(jù)表示硬件能直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型。尋址規(guī)則包括最小尋址單元、尋址方式及其表示。第十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）中斷系統(tǒng)（中斷的類型和中斷響應(yīng)硬件的功能等）機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）存儲(chǔ)系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲(chǔ)容量等）信息保護(hù)（包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持）第十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念I(lǐng)/O結(jié)構(gòu)包括I/O連結(jié)方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態(tài)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：

確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件的界面，界面之上是軟件實(shí)現(xiàn)的功能，界面之下是硬件和固件實(shí)現(xiàn)的功能。1.2.3計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面即機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。第十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。著眼于：物理機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。著眼于：器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。第十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。系列機(jī)由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(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)的計(jì)算機(jī)。例如，IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。1.2.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類法有兩種：

Flynn分類法、馮氏分類法第十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念馮氏分類法用系統(tǒng)的最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。最大并行度：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)。

用平面直角坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其橫坐標(biāo)表示字寬（n位），縱坐標(biāo)表示一次能同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)（m字）。m×n就表示了其最大并行度。

Flynn分類法

按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。指令流：計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令序列。第十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。多倍性：在系統(tǒng)受限的部件上，同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。Flynn分類法把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類：

單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)

單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)

多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)

多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)4類計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)IS：指令流，DS：數(shù)據(jù)流，CS：控制流，CU：控制部件，PU：處理部件，MM和SM：存儲(chǔ)器。第十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一4個(gè)定量原理：以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則進(jìn)行選擇，以得到更多的總體上的改進(jìn)。優(yōu)化是指分配更多的資源、達(dá)到更高的性能或者分配更多的電能等。1.3定量分析技術(shù)1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理第十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。系統(tǒng)性能加速比：加速比＝系統(tǒng)性能改進(jìn)后系統(tǒng)性能改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后＝第十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)加速比依賴于兩個(gè)因素可改進(jìn)比例：在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。它總是小于等于1。例如：一個(gè)需運(yùn)行60秒的程序中有20秒的運(yùn)算可以加速，那么這個(gè)比例就是20/60。部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍數(shù)。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。一般情況下部件加速比是大于1的。例如：若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間是2秒，而改進(jìn)前其執(zhí)行時(shí)間為5秒，則部件加速比為5/2。第二十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后＝不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間＋

可改進(jìn)部分改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后＝

(1－可改進(jìn)比例)×總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前

+＝

[(1－可改進(jìn)比例)+]×總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前

可改進(jìn)比例部件加速比可改進(jìn)比例×總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前部件加速比第二十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比加速比＝總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后＝（1－可改進(jìn)比例）+可改進(jìn)比例部件加速比1第二十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)

例1.1將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度提高到原來(lái)的20倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知，可改進(jìn)比例=40%=0.4，部件加速比=20

根據(jù)Amdahl定律可知：

采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來(lái)的1.613倍?？偧铀俦?10.6+0.420=1.613第二十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)例1.2某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來(lái)的20倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來(lái)的5倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。解由題可知，部件加速比=20，系統(tǒng)加速比=5

根據(jù)Amdahl定律可知

由此可得：可改進(jìn)比例=84.2%

即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為84.2%。第二十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)Amdahl定律：一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則如果僅僅對(duì)計(jì)算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。重要推論：如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，那么所獲得的加速比不超過(guò)

1/（1－可改進(jìn)比例）第二十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)CPU性能公式執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間其中，時(shí)鐘周期時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI

（CyclesPerInstruction）

CPI=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)／IC

IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)程序執(zhí)行的CPU時(shí)間可以寫成

CPU時(shí)間=IC×CPI×?xí)r鐘周期時(shí)間

第二十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)CPU的性能取決于3個(gè)參數(shù)時(shí)鐘周期時(shí)間：取決于硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成。CPI：取決于計(jì)算機(jī)組成和指令集結(jié)構(gòu)。IC：取決于指令集結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。對(duì)CPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化假設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有n種指令；

CPIi

：第i種指令的處理時(shí)間；

ICi

：在程序中第i種指令出現(xiàn)的次數(shù)；則

CPU時(shí)鐘周期數(shù)=(CPIi

ICi)ni=1第二十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間

=

（CPIi×ICi）×?xí)r鐘周期時(shí)間CPI可以表示為CPI===

其中，(ICi/IC)反映了第i種指令在程序中所占的比例。i=1n時(shí)鐘周期數(shù)IC（CPIi×ICi）i=1nIC（CPIi×）i=1nICiIC第二十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)

例1.3考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法：（1）CPUA：通過(guò)比較指令設(shè)置條件碼，然后測(cè)試條件碼進(jìn)行分支。（2）CPUB：在分支指令中包括比較過(guò)程。在這兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而所有其他指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每條分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占20%。由于CPUA在分支時(shí)不需要比較，因此CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間是CPUA的1.25倍。問(wèn)：哪一個(gè)CPU更快？如果CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間只是CPUA的1.1倍，哪一個(gè)CPU更快呢？第二十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)

解我們不考慮所有系統(tǒng)問(wèn)題，所以可用CPU性能公式。占用2個(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的20%，剩下的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。所以

CPIA=0.2×2+0.80×1=1.2則CPUA性能為總CPU時(shí)間A=ICA

×1.2×?xí)r鐘周期A根據(jù)假設(shè)，有時(shí)鐘周期B=1.25×

時(shí)鐘周期A

在CPUB中沒(méi)有獨(dú)立的比較指令，所以CPUB的程序量為CPUA的80%，分支指令的比例為第三十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)

20%/80%=25%

這些分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的75%的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，因此

CPIB=0.25×2+0.75×1=1.25因?yàn)镃PUB不執(zhí)行比較，故

ICB=0.8×ICA因此CPUB性能為總CPU時(shí)間B=ICB

×CPIB

×

時(shí)鐘周期B=0.8×ICA

×1.25×（1.25×?xí)r鐘周期A）

=1.25×ICA

×?xí)r鐘周期A第三十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)

在這些假設(shè)之下，盡管CPUB執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUA因?yàn)橛兄痰臅r(shí)鐘周期，所以比CPUB快。如果CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅是CPUA的1.1倍，則時(shí)鐘周期B=1.10×?xí)r鐘周期ACPUB的性能為總CPU時(shí)間B=ICB×CPIB

×?xí)r鐘周期B

=0.8×ICA

×1.25×（1.10×?xí)r鐘周期A）

=1.10×ICA

×?xí)r鐘周期A

因此CPUB由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPUA運(yùn)行更快。第三十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)程序的局部性原理程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)的存儲(chǔ)器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則程序執(zhí)行時(shí)間的90%都是在執(zhí)行程序中10%的代碼。程序的時(shí)間局部性程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。第三十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)執(zhí)行時(shí)間和吞吐率如何評(píng)測(cè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，與測(cè)試者看問(wèn)題的角度有關(guān)。用戶關(guān)心的是：?jiǎn)蝹€(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間（執(zhí)行單個(gè)程序所花的時(shí)間很少）數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：吞吐率（在單位時(shí)間里能夠完成的任務(wù)很多）1.3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)第三十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)假設(shè)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)為X和Y，X比Y快的意思是：

對(duì)于給定任務(wù)，X的執(zhí)行時(shí)間比Y的執(zhí)行時(shí)間少。X的性能是Y的n倍，即而執(zhí)行時(shí)間與性能成反比，即執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X=nn===執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X性能Y1性能X1性能X性能Y第三十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)執(zhí)行時(shí)間可以有多種定義：計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問(wèn)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)、輸入/輸出、操作系統(tǒng)開銷等。CPU時(shí)間：CPU執(zhí)行所給定的程序所花費(fèi)的時(shí)間，不包含I/O等待時(shí)間以及運(yùn)行其他程序的時(shí)間。用戶CPU時(shí)間：用戶程序所耗費(fèi)的CPU時(shí)間。系統(tǒng)CPU時(shí)間：用戶程序運(yùn)行期間操作系統(tǒng)耗費(fèi)的

CPU時(shí)間。第三十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)基準(zhǔn)測(cè)試程序用于測(cè)試和比較性能的基準(zhǔn)測(cè)試程序的最佳選擇是真實(shí)應(yīng)用程序。

（例如編譯器）以前常采用簡(jiǎn)化了的程序，例如：核心測(cè)試程序：從真實(shí)程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu)成的小程序。小測(cè)試程序：簡(jiǎn)單的只有幾十行的小程序。合成的測(cè)試程序：人工合成出來(lái)的程序。Whetstone與Dhrystone是最流行的合成測(cè)試程序。

從測(cè)試性能的角度來(lái)看，上述測(cè)試程序就不可信了。第三十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)原因：這些程序比較小，具有片面性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和編譯器的設(shè)計(jì)者可以“合謀”把他們的計(jì)算機(jī)面向這些測(cè)試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該計(jì)算機(jī)顯得性能更高。性能測(cè)試的結(jié)果除了和采用什么測(cè)試程序有關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測(cè)試有關(guān)。基準(zhǔn)測(cè)試程序設(shè)計(jì)者對(duì)制造商的要求采用同一種編譯器；對(duì)同一種語(yǔ)言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。第三十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)一個(gè)問(wèn)題：是否允許修改測(cè)試程序的源程序三種不同的處理方法：不允許修改。允許修改，但因測(cè)試程序很復(fù)雜或者很大，幾乎是無(wú)法修改。允許修改，只要保證最后輸出的結(jié)果相同?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成。（能比較全面地反映計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能）SPEC系列：最成功和最常見的測(cè)試程序套件（美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)估公司開發(fā)）第三十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)臺(tái)式計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)測(cè)試程序套件可以分為兩大類：

處理器性能測(cè)試程序，圖形性能測(cè)試程序SPEC89：用于測(cè)試處理器性能。10個(gè)程序（4個(gè)整數(shù)程序，6個(gè)浮點(diǎn)程序）演化出了4個(gè)版本

SPEC92：20個(gè)程序

SPEC95：18個(gè)程序

SPEC2000：26個(gè)程序

SPECCPU2006：

29個(gè)程序SPECCPU2006第四十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)整數(shù)程序12個(gè)（CINT2006）

9個(gè)是用C寫的，3個(gè)是用C++寫的浮點(diǎn)程序17個(gè)（CFP2006）

6個(gè)是用FORTRAN寫的，4個(gè)是用C++寫的，3個(gè)是用C寫的，4個(gè)是用C和FORTRAN混合編寫的。SPEC測(cè)試程序套件中的其他一系列測(cè)試程序組件SPECSFS：用于NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測(cè)試程序。它不僅測(cè)試處理器的性能，而且測(cè)試I/O系統(tǒng)的性能。它重點(diǎn)測(cè)試吞吐率。SPECWeb：Web服務(wù)器測(cè)試程序。第四十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫(kù)的性能。SPECapc：用于測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能。事務(wù)處理（TP）性能測(cè)試基準(zhǔn)程序：用于測(cè)試計(jì)算機(jī)在事務(wù)處理方面的能力，包括數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和更新等。20世紀(jì)80年代中期，一些工程師成立了稱為TPC的獨(dú)立組織。目的是開發(fā)用于TP性能測(cè)試的真實(shí)而又公平的基準(zhǔn)程序。先后發(fā)布了多個(gè)版本：

TPC-A、TPC-C、TPC-H、TPC-W、TPC-App等（主要是用于測(cè)試服務(wù)器的性能）第四十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)用于測(cè)試基于Microsoft公司的Windows系列操作系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試套件

PCMark04：中央處理器測(cè)試組、內(nèi)存測(cè)試組、圖形芯片測(cè)試組、硬盤測(cè)試組等。BusinessWinstone2004：主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的綜合性能。MultimediaContentCreationWinstone2004：主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多媒體應(yīng)用的綜合性能。SiSoftSandraPro2004：一套功能強(qiáng)大的系統(tǒng)分析評(píng)比工具，擁有超過(guò)30種以上的分析與測(cè)試模塊。主要包括：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、I/O設(shè)備、主板等。第四十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一性能比較A機(jī)B機(jī)C機(jī)W（1）

W（2）

W（3）

程序11.0010.0020.000.500.9090.999程序21000.0010.0020.000.500.0910.001加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（1）500.5010.0020.00加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（2）91.9110.0020.00加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（3）2.0010.0020.00兩個(gè)程序在A、B、C三臺(tái)計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間第四十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)如何比較這3臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能呢？從該表可以得出：執(zhí)行程序1:A機(jī)的速度是B機(jī)的10倍A機(jī)的速度是C機(jī)的20倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍執(zhí)行程序2:B機(jī)的速度是A機(jī)的100倍C機(jī)的速度是A機(jī)的50倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍第四十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)總執(zhí)行時(shí)間：計(jì)算機(jī)執(zhí)行所有測(cè)試程序的總時(shí)間B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的50.05倍C機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的24.02倍B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是C機(jī)的2倍平均執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的算術(shù)平均值其中，Ti：第i個(gè)測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間

n：測(cè)試程序組中程序的個(gè)數(shù)第四十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.3定量分析技術(shù)加權(quán)執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的加權(quán)平均值其中，Wi：第i個(gè)測(cè)試程序在測(cè)試程序組中所占的比重

Ti：該程序的執(zhí)行時(shí)間第四十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)第四十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)以運(yùn)算器為中心。在存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)同等對(duì)待。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。第四十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展指令的執(zhí)行是順序的。一般是按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行。程序的分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。由指令計(jì)數(shù)器PC指明當(dāng)前正在執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的地址。指令由操作碼和地址碼組成。指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。第五十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)輸入/輸出方式的改進(jìn)采用并行處理技術(shù)如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？在不同的級(jí)別采用并行技術(shù)。例如，微操作級(jí)、指令級(jí)、線程級(jí)、進(jìn)程級(jí)、任務(wù)級(jí)等。第五十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展相聯(lián)存儲(chǔ)器與相聯(lián)處理機(jī)通用寄存器組高速緩沖存儲(chǔ)器Cache指令集的發(fā)展兩個(gè)發(fā)展方向：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）精減指令集計(jì)算機(jī)（RISC）第五十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件的可移植性：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上正確地運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。我們稱這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是軟件兼容的。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法采用系列機(jī)，模擬與仿真，統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。1.4.2軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第五十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一`系列機(jī)

由同一廠家生產(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。較好地解決軟件開發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾。軟件兼容1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展第五十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展向上（下）兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的機(jī)器。向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場(chǎng)的機(jī)器。向后兼容是系列機(jī)的根本特征。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。第五十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展模擬和仿真使軟件能在具有不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器之間相互移植。在一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從指令集的角度來(lái)看，就是要在一種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的機(jī)器（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（稱為虛擬機(jī)）的指令集。通常用解釋的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行速度較慢，性能較差。第五十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有機(jī)器（宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令集。運(yùn)行速度比模擬方法的快仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件移植的一種理想的方法較難實(shí)現(xiàn)第五十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展摩爾定律集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番。計(jì)算機(jī)的分代主要以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。它們?cè)谄骷?、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)等方面都有各自的特征。SMP：對(duì)稱式共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)

MPP：大規(guī)模并行處理機(jī)1.4.3器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第五十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一分代器件特征結(jié)構(gòu)特征軟件特征典型實(shí)例第一代（1945—1954年）電子管和繼電器存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)程序控制I/O機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言普林斯頓ISA，ENIAC，IBM701第二代（1955—1964年）晶體管、磁芯印刷電路浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示尋址技術(shù)中斷、I/O處理機(jī)高級(jí)語(yǔ)言和編譯批處理監(jiān)控系統(tǒng)UnivacLAPC，CDC1604，IBM7030第三代（1965—1974年）SSI和MSI多層印刷電路微程序流水線、Cache先行處理系列機(jī)多道程序分時(shí)操作系統(tǒng)IBM360/370，CDC6600/7600，DECPDP-8第四代（1975—1990年）LSI和VLSI半導(dǎo)體存儲(chǔ)器向量處理分布式存儲(chǔ)器并行與分布處理Cray-1，IBM3090，DECVAX9000，Convax-1第五代（1991年—）高性能微處理器高密度電路超標(biāo)量、超流水SMP、MP、MPP機(jī)群大規(guī)模、可擴(kuò)展并行與分布處理SGICrayT3E，IBMSP2，DECAlphaServer8400第五十九頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展不同的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了不同的要求應(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)力一些特殊領(lǐng)域：需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算氣象模型、流體動(dòng)力學(xué)、有限元分析非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)1.4.4應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第六十頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展大存儲(chǔ)容量和輸入輸出密集的問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、事務(wù)處理系統(tǒng)圖形學(xué)和設(shè)計(jì)問(wèn)題計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人工智能面向知識(shí)的系統(tǒng)、推理系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)性能隨時(shí)間下移第六十一頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期：從誕生、發(fā)展、成熟到消亡從硬件成熟到系統(tǒng)軟件成熟大約需要5～7年的時(shí)間從系統(tǒng)軟件成熟到應(yīng)用軟件成熟，大約也需要5～7年時(shí)間。再過(guò)5～7年的時(shí)間，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就不會(huì)作為主流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在了。Intel的x86系列微處理器中32位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期第六十二頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展第六十三頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。同時(shí)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展1.5.1并行性的概念第六十四頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。最基本的串行處理方式，不存在并行性。字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。開始出現(xiàn)并行性。字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。具有較高的并行性。全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。最高一級(jí)的并行。第六十五頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展從執(zhí)行程序的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行。指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程。通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段）以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。第六十六頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展三種途徑：時(shí)間重疊引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復(fù)引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。1.5.2提高并行性的技術(shù)途徑第六十七頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展資源共享這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。第六十八頁(yè)，共七十六頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展在發(fā)展高性能單處理機(jī)過(guò)程中，起主導(dǎo)作