chap1-計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念95

1.1引言1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素1.5定量分析技術(shù)根底1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念1.1引言1.計(jì)算機(jī)性能的高速增長(zhǎng)受益于：2.體系結(jié)構(gòu)的重要性3.基于微處理器的系統(tǒng)電路技術(shù)的開(kāi)展體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的開(kāi)展第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念

1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝軟件＋硬件/固件2.計(jì)算機(jī)語(yǔ)言由低級(jí)向高級(jí)開(kāi)展高一級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句相對(duì)于低級(jí)語(yǔ)言功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級(jí)語(yǔ)言為根底。3.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)。

1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念軟件硬件或固件(1)虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。(2)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種根本技術(shù)◆翻譯：先把N+1級(jí)程序全部變換成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)?！艚忉?zhuān)好慨?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)行比翻譯花的時(shí)間多，但存儲(chǔ)空間占用較少。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2.2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義：

程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性

結(jié)構(gòu)與功能特性。2.

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。3.透明性

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對(duì)這種本來(lái)是存在的

事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好象不存在。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念4.Amdahl提出的體系結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的體系結(jié)構(gòu)。

即一般所說(shuō)的機(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。

5.對(duì)于通用存放器型機(jī)器，這些屬性主要是指：

(1)數(shù)據(jù)表示

〔硬件能直接辯認(rèn)和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型〕(2)尋址規(guī)那么

〔包括最小尋址單元、尋址方式及其表示〕(3)存放器定義

〔包括各種存放器的定義、數(shù)量和使用方式〕1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念

(4)指令集

〔包括機(jī)器指令的操作類(lèi)型和格式、指令間的排

序和控制機(jī)構(gòu)等〕(5)中斷系統(tǒng)

〔中斷的類(lèi)型和中斷響應(yīng)硬件的功能等〕(6)機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換

〔如管態(tài)和目態(tài)等〕(7)存儲(chǔ)系統(tǒng)

〔主存容量、程序員可用的最大存儲(chǔ)容量等〕1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念(8)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〕(9)I/O結(jié)構(gòu)

〔包括I/O連接方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備

間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態(tài)等〕經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界面確實(shí)定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2.3計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)1.

計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。2.

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。

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)。3.系列機(jī)

(1)系列機(jī)在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系

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。

1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念(2)IBMPC系列機(jī)〔處理器、處理器字寬、主要I/O總線、存儲(chǔ)空間、

主要操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)〕如：IBM370系列有370/115、125、135、145、158、168等一系列從低速到高速的各種型號(hào)。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念

計(jì)算機(jī)PC和PCXTPCAT80386PC80486PCPentiumPCPentiumIIPCPentiumIIIPCPentium4PC時(shí)間19811982198519891993199719992000處理器8088802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4字寬16位16位32位32位32位32位32位32位主要I/O總線PC總線AT〔ISA〕ISA/EISAISA+VLISA+PCIISA+PCI+AGPPCI+AGP+USBPCI-X+AGP+USB存儲(chǔ)空間20位24位32位32位32位32位32位32位主要操作系統(tǒng)DOSDOS、XENIXDOS、Windows3.0DOS、Windows3.1DOS、Windows3.1Windows95Windows98、2000WindowsMe、XP表1.1PC系列機(jī)典型特性比較1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念4.軟件兼容:同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差異只在于有不同的運(yùn)行時(shí)間。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念◆

向上(下)兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修 改的就能運(yùn)行于比它高(低)檔的機(jī)器?！?/p>

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。向后兼容是軟件兼容的根本特征，也是系列機(jī)的根本特征。

5.兼容機(jī)

不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.3.1存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其開(kāi)展第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念1.存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)(1)機(jī)器以運(yùn)算器為中心；(2)采用存儲(chǔ)程序原理；(3)存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的、線性編址的空間；(4)控制流由指令流產(chǎn)生；(5)指令由操作碼和地址碼組成；(6)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展2.對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)(1)分布的I/O處理能力

以運(yùn)算器為中心帶來(lái)了慢速輸入／輸出操作占用快速運(yùn)算器的問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，人們提出了各種輸入/輸出方式。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展(2)保護(hù)的存儲(chǔ)器空間

是否把指令和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中？

優(yōu)點(diǎn):

不必預(yù)先區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理軟件；程序和指令在執(zhí)行過(guò)程中可以被修改，因而可以

編寫(xiě)出靈活的可修改的程序；對(duì)于存取指令和數(shù)據(jù)僅需一套讀/寫(xiě)和尋址電路，

硬件簡(jiǎn)單；數(shù)據(jù)可以分配于任何可用空間，從而可更有效地

利用存儲(chǔ)空間等。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展缺點(diǎn)：

不利于進(jìn)行程序調(diào)試診斷；不利于實(shí)現(xiàn)程序的可再入性和程序的遞歸調(diào)用；不利于重疊和流水方式的操作。

現(xiàn)在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都規(guī)定，在執(zhí)行進(jìn)程中不準(zhǔn)修改程序。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展(3)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的開(kāi)展相聯(lián)存儲(chǔ)器和相聯(lián)處理機(jī)通用存放器高速緩沖存儲(chǔ)器和多級(jí)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)(4)并行處理技術(shù)如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？◆改進(jìn)CPU的組成

重疊方式先行控制1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展◆

在體系結(jié)構(gòu)上對(duì)某些計(jì)算問(wèn)題實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

如向量計(jì)算◆

多機(jī)并行處理系統(tǒng)

把一個(gè)作業(yè)(程序)劃分成能并行執(zhí)行的多個(gè)任 務(wù)(程序段)，把每個(gè)任務(wù)分配給一個(gè)處理機(jī)執(zhí)行。

多操作部件流水方式1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)

(5)指令集結(jié)構(gòu)的開(kāi)展◆指令集的功能

◆

指令的地址空間和尋址方式

多種靈活的尋址方式。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.3.2計(jì)算機(jī)的分代和分型1.計(jì)算機(jī)到目前為止已經(jīng)開(kāi)展了五代這五代計(jì)算機(jī)分別具有明顯的器件、體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和軟件技術(shù)的特征。2.計(jì)算機(jī)可以根據(jù)價(jià)格分為五個(gè)檔次：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展第一代(1945-1954)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)言和匯編語(yǔ)言普林斯頓ISA、ENIAC、IBM701第二代(1955-1964)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)UnivacLARC、CDC1604、IBM7030第三代(1965-1974)SSI和MSI、多層印刷電路、微程序流水線、Cache、先行處理、系列計(jì)算機(jī)多道程序和分時(shí)操作系統(tǒng)IBM360/370、CDC6600/7600、DECPDP-8第四代(1974-1990)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-)高性能微處理器、高密度電路超標(biāo)量、超流水、SMP、MP、MPP大規(guī)模、可擴(kuò)展并行與分布處理SGICrayT3E、IBMSP2、DECAlphaServer8400

3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能隨時(shí)間“下移〞1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展4.根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)的現(xiàn)狀和價(jià)格特征，通常把計(jì)算機(jī)分為效勞器、桌面系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算三大領(lǐng)域。5.新型體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1)合理地增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件的功能比例，這種體系結(jié)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言甚至應(yīng)用軟件提供更多更好的支持；(2)通過(guò)多種途徑提高計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的并行性等級(jí)，使得但凡能并行計(jì)算和處理的問(wèn)題都能并行計(jì)算和處理，使這種體系結(jié)構(gòu)和組成對(duì)算法提供更多更好的支持。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.3.3應(yīng)用需求的開(kāi)展1.計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)受兩方面因素的影響2.軟件技術(shù)最重要的開(kāi)展趨勢(shì)(1)程序及數(shù)據(jù)所使用存儲(chǔ)器容量的不斷增大；(2)編譯器的重要性日益突出，逐漸成為用戶(hù)與計(jì)算機(jī)的主要界面。

計(jì)算機(jī)現(xiàn)在和未來(lái)的使用方法下層的實(shí)現(xiàn)技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展3.計(jì)算機(jī)技術(shù)和市場(chǎng)分化成為桌面計(jì)算、效勞器和嵌入式計(jì)算三個(gè)局部，這三個(gè)不同的領(lǐng)域應(yīng)用需求的特點(diǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響巨大。桌面計(jì)算市場(chǎng)是銷(xiāo)售額最大的市場(chǎng)，是對(duì)

性能價(jià)格比要求最為苛刻和敏感的市場(chǎng)。效勞器市場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求是可用性、大

容量和可擴(kuò)展性。嵌入式計(jì)算與解決的應(yīng)用問(wèn)題密切相關(guān)，

需求千差萬(wàn)別。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展表1.3 桌面計(jì)算、效勞器和嵌入式計(jì)算三類(lèi)應(yīng)用

領(lǐng)域的一些典型特性系統(tǒng)價(jià)格〔美元〕每個(gè)處理器價(jià)格〔美元〕2000年芯片銷(xiāo)售量〔片〕關(guān)鍵指標(biāo)1000-10000100-1000150000000性能價(jià)格比10000-10000000200-20004000000可用性、可擴(kuò)展性嵌入式計(jì)算〔只考慮32位和64位〕10-1000000.2-200300000000隨應(yīng)用領(lǐng)域需求而變化，主要有：本錢(qián)、功耗、實(shí)時(shí)性等。特征桌面計(jì)算效勞器1.3.4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的開(kāi)展1.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的根底核心是以晶體管為

根本單元的平面集成電路2.摩爾定律

集成電路密度大約每?jī)赡攴环?.內(nèi)存芯片和Intel微處理器的開(kāi)展變化1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展圖1.7 內(nèi)存芯片密度和Intel微處理器集成度的開(kāi)展1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展4.四種實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)于當(dāng)代計(jì)算機(jī)的開(kāi)展發(fā)揮著非

常關(guān)鍵的作用

邏輯電路半導(dǎo)體DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)磁盤(pán)

網(wǎng)絡(luò)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展1.3.5技術(shù)的挑戰(zhàn)和體系結(jié)構(gòu)的生命周期1.對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)挑戰(zhàn)

體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)工具、制造工藝、軟件和應(yīng)用等多個(gè)方面，甚至包括經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題。

2.集成電路制造中的重要技術(shù)指標(biāo)之一：

特征尺寸1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展型號(hào)4004800880808086/80888028680386DX80486DXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumIIIPentium4發(fā)布日期197119721974197819821985198919931995199719992000制造工藝PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS特征尺寸〔m〕1010631.51.51.00.80.350.350.180.18集成度〔晶體管〕2300350060002900013400027500012000003100000550000075000002800000042000000工作頻率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz25/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz基片面積〔mm2〕13.515.220.028.668.7104163264310209140224表1.4 Intel公司局部微處理器的局部工藝參數(shù)3.隨著特征尺寸減小，挑戰(zhàn)首先是功耗。

原因：1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展(1)導(dǎo)致集成電路連線的相對(duì)長(zhǎng)度增加，單位長(zhǎng)度阻抗也增大，更高的電路工作主頻需要更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電平的翻轉(zhuǎn)和信號(hào)變化的傳遞；(2)電路密度增加，導(dǎo)致芯片單位面積功率〔功率密度〕上升；(3)集成電路在減小特征尺寸的同時(shí)，也在減少電路各層的厚度，從而降低了工作電壓；(4)隨著特征尺寸的下降，晶體管各個(gè)電極之

間的絕緣層性能急劇下降，電極之間漏電流的問(wèn)題日益突出；(5)由于現(xiàn)代微處理器中的部件成千上萬(wàn)，而這些部件并不都是同時(shí)工作，這就需要在設(shè)計(jì)中合理分配電力使用，對(duì)于不工作的部件暫時(shí)減低工作性能或者暫停工作，以減少系統(tǒng)的功耗。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展圖1.8 微處理器中的工作電流和漏電流1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展4.在設(shè)計(jì)上將面臨的問(wèn)題：

微處理器芯片正確性驗(yàn)證復(fù)雜性成倍上升.5.從經(jīng)濟(jì)角度看問(wèn)題和從技術(shù)角度看問(wèn)題往往是不同的6.一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生到消亡，大致需要15～20年的時(shí)間。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展圖1.9 體系結(jié)構(gòu)的生命周期1.4 影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的

本錢(qián)和價(jià)格因素1.4.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本錢(qián)和價(jià)格組裝一臺(tái)較高檔配置PC的硬件各部件價(jià)格分布◆從總體看，價(jià)格變化的趨勢(shì)是不斷下降的?！粲?jì)算機(jī)的價(jià)格是與本錢(qián)緊密相關(guān)的。第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念配件處理器主板〔含根本I/O〕存儲(chǔ)器硬盤(pán)顯示卡顯示器光驅(qū)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)音箱其他配件合計(jì)：型號(hào)Pentium42.6CGHz微星865PE-Neo2-PFSKingston256MDDR400〔兩條〕三星SP80GB2MB緩沖UnikaGeForceFX5900FXc128MBDDRMagvisionPR700M2MIDA48×ComboBenQ海灣鍵盤(pán)+微軟IE4.0漫步者R301TII機(jī)箱、電源、軟驅(qū)、CPU風(fēng)扇等價(jià)格〔￥〕1400980600680169913993904982604208326總價(jià)格中的比例17%12%7%8%20%17%5%6%3%5%表1.5 一臺(tái)組裝PC及其各個(gè)部件的價(jià)格分布

2.價(jià)格與本錢(qián)是不同的概念商品的標(biāo)價(jià)(價(jià)格)由這樣一些因素構(gòu)成：(1)原料本錢(qián)一件產(chǎn)品中所有部件的采購(gòu)本錢(qián)總和。(2)直接本錢(qián)

與一件產(chǎn)品生產(chǎn)直接相關(guān)的本錢(qián)。(3)毛利

主要包括：

公司的研發(fā)費(fèi)用1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素

市場(chǎng)建立費(fèi)用銷(xiāo)售費(fèi)用生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用房租貸款利息稅后利潤(rùn)和所得稅(4)

平均銷(xiāo)售價(jià)格與折扣1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素工作站的本錢(qián)和價(jià)格3.工作站的本錢(qián)和價(jià)格4.PC的本錢(qián)和價(jià)格1.4.2 時(shí)間因素1.影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本錢(qián)的主要因素(1)時(shí)間〔對(duì)本錢(qián)產(chǎn)生最直接影響〕即使實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒(méi)有變動(dòng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制造本錢(qián)也會(huì)不斷下降。(2)產(chǎn)量◆產(chǎn)量的增加會(huì)加速工藝的穩(wěn)定；◆產(chǎn)量增加提高了生產(chǎn)效率，降低了本錢(qián)；1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素◆產(chǎn)量增加降低每臺(tái)單機(jī)必須參加的開(kāi)發(fā)費(fèi)用， 從而使得單機(jī)本錢(qián)下降。(3)商品化〔更重要的是它影響產(chǎn)品的價(jià)格〕2.價(jià)格隨時(shí)間下降

◆

存儲(chǔ)器價(jià)格變化的學(xué)習(xí)曲線

◆2002年Intel的一些Pentium4處理器零售價(jià)格變化的學(xué)習(xí)曲線1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素圖1.12DRAM價(jià)格的學(xué)習(xí)曲線

1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素圖1.13 Intel公司局部型號(hào)Pentium4處理器零售價(jià)格的學(xué)習(xí)曲線1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素1.4.3 集成電路的本錢(qián)集成電路的根本制造工藝：1.首先生產(chǎn)圓片；2.在圓片上制造出大量電路單元；3.園片經(jīng)過(guò)測(cè)試后按照制造的電路單元被切割成基片；4.基片在外殼中封裝好以后就是集成電路成品。1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素集成電路的圓片和基片

1.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素集成電路本錢(qián)=基片本錢(qián)=每塊園片上的基片數(shù)=-基片成品率=園片成品率

(1+)-

基片本錢(qián)=

=園片本錢(qián)、園片成品率、值及疵點(diǎn)密度等由生產(chǎn)工藝決定；基片面積由設(shè)計(jì)人員控制。5.當(dāng)前一些典型芯片的工藝參數(shù)和本錢(qián)微處理器Alpha21264CPower3-IIItaniumMIPSR14000UltraSPARCIII基片面積〔mm2〕115163300204210制造工藝0.18

m工藝6層金屬布線CMOS0.22

m工藝6層金屬布線CMOS0.18

m工藝6層金屬布線CMOS0.25

m工藝4層金屬布線CMOS0.15

m工藝6層金屬布線CMOS圓片本錢(qián)估計(jì)〔美元〕470040004900370052001.4影響計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的本錢(qián)和價(jià)格因素1.5 定量分析技術(shù)根底1.5.1計(jì)算機(jī)性能的評(píng)測(cè)

◆

響應(yīng)時(shí)間：從事件開(kāi)始到結(jié)束之間的時(shí)間， 也稱(chēng)為執(zhí)行時(shí)間。(計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間)◆

流量：在單位時(shí)間內(nèi)所能完成的工作量。

相同點(diǎn)：都認(rèn)為能夠以最短時(shí)間完成指定任務(wù)的 計(jì)算機(jī)就是最快的。不同點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間針對(duì)單任務(wù)，而流量針對(duì)多任務(wù)。

第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念響應(yīng)時(shí)間與性能成反比，上式變成n===1.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的響應(yīng)時(shí)間比Y少。

X比Y快n倍：=n

用戶(hù)CPU時(shí)間系統(tǒng)CPU時(shí)間

2.CPU時(shí)間

CPU工作的時(shí)間，不包含I/O等待時(shí)間及運(yùn)行其它程序的時(shí)間。1.5定量分析技術(shù)根底1.5.2測(cè)試程序1.目前常用的測(cè)試程序可以分為五類(lèi)：〔按測(cè)試可靠性由高至低的順序列出〕(1)實(shí)際應(yīng)用程序(2)修正的〔或者腳本化〕應(yīng)用程序(3)核心測(cè)試程序(3)小測(cè)試程序(4)合成測(cè)試程序1.5定量分析技術(shù)根底2.測(cè)試程序組件選擇一組各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序，組成一個(gè)通用測(cè)試程序集合。最大優(yōu)點(diǎn)：防止了獨(dú)立測(cè)試程序存在的片面性，盡可能全面地測(cè)試了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。◆最常見(jiàn)的測(cè)試程序組件是基于UNIX的SPEC主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95和SPEC2000等。1.5定量分析技術(shù)根底測(cè)試程序程序類(lèi)型SPEC89SPEC92SPEC95SPEC2000gcc整數(shù)采用修正修正修正espresso整數(shù)采用修正舍棄

li整數(shù)采用修正修正舍棄eqntott整數(shù)采用舍棄

spice浮點(diǎn)采用修正舍棄

doduc浮點(diǎn)采用

舍棄

nasa7浮點(diǎn)采用

舍棄

fpppp浮點(diǎn)采用

修正舍棄matrix300浮點(diǎn)采用舍棄

tomcatv浮點(diǎn)采用

修正舍棄compress整數(shù)

采用修正舍棄sc整數(shù)

采用舍棄

mdljdp2浮點(diǎn)

采用舍棄

wave5浮點(diǎn)

采用修正舍棄ora浮點(diǎn)

采用舍棄

mdljsp2浮點(diǎn)

采用舍棄

alvinn浮點(diǎn)

采用舍棄

ear浮點(diǎn)

采用舍棄

表1.7 SPEC不同版本所包含測(cè)試程序的演化過(guò)程swm256(akaswim)浮點(diǎn)

采用修正修正su2cor浮點(diǎn)

采用修正舍棄hydro2d浮點(diǎn)

采用修正舍棄go整數(shù)

采用舍棄m88ksim整數(shù)

采用舍棄ijpeg整數(shù)

采用舍棄perl整數(shù)

采用修正vortex整數(shù)

采用修正mgrid浮點(diǎn)

采用修正applu浮點(diǎn)

采用舍棄apsi浮點(diǎn)

采用修正turb3d浮點(diǎn)

采用舍棄表1.8 SPECCPU2000測(cè)試程序組件中的程序

測(cè)試程序程序類(lèi)型源碼類(lèi)型說(shuō)明gzip整數(shù)C使用Lempel-Ziv的壓縮算法vpr整數(shù)CFPGA布局布線gcc整數(shù)C使用GNUC編譯器生成優(yōu)化的機(jī)器代碼mcf整數(shù)C公交調(diào)度的組合優(yōu)化crafty整數(shù)C下棋程序parser整數(shù)C英語(yǔ)句法分析eon整數(shù)C++一種圖形學(xué)中的光線跟蹤算法perlmbk整數(shù)C四個(gè)輸入腳本的Perlgap整數(shù)C一個(gè)群論算法包vortex整數(shù)C一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)bzip2整數(shù)C一種塊分類(lèi)壓縮算法twolf整數(shù)CTimberwolf:一種用于VLSI布局布線的模擬退火算法wupwise浮點(diǎn)F77量子色動(dòng)力學(xué)的格群論模型swim浮點(diǎn)F77使用有限差分方程求解淺水方程mgrid浮點(diǎn)F77三維場(chǎng)上的多柵格解算機(jī)apply浮點(diǎn)F77拋物線和橢圓偏微分方程解算器mesa浮點(diǎn)C三維圖形庫(kù)galgel浮點(diǎn)F90流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算art浮點(diǎn)C使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫度圖進(jìn)行圖像識(shí)別equake浮點(diǎn)C地震波傳播模擬facerec浮點(diǎn)C使用小波和圖形匹配進(jìn)行面像識(shí)別ammp浮點(diǎn)C一種水中蛋白質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬lucas浮點(diǎn)F90進(jìn)行Mersenne素?cái)?shù)的基本測(cè)試fma3d浮點(diǎn)F90采用有限元方法的撞擊模擬sixtrack浮點(diǎn)F77設(shè)計(jì)高能加速器的模擬器apsi浮點(diǎn)F77大氣污染的氣象學(xué)方法模擬

◆

SPEC2000測(cè)試程序組件，除了含有測(cè)試CPU的 SPECCPU2000，還包括其他一系列測(cè)試程序組 件：SPECviewperf

用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫(kù)的性能SPECapc

測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能SPECSFS

基于NFS文件系統(tǒng)的文件效勞器測(cè)試程SPECWeb

Web效勞器測(cè)試程序1.5定量分析技術(shù)根底◆TPC測(cè)試程序組件事務(wù)處理〔Transaction-processing，TP〕測(cè)試程序主要測(cè)試在線事務(wù)處理系統(tǒng)的性能。核心內(nèi)容：數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和相關(guān)的信息決策能力。

TPC-A

TPC-C

模擬一個(gè)復(fù)雜隊(duì)列環(huán)境。

TPC-H

一個(gè)特別的決策支持模型，其隊(duì)列執(zhí)

行時(shí)間特別長(zhǎng)。1.5定量分析技術(shù)根底

TPC-R

模擬面向一組標(biāo)準(zhǔn)隊(duì)列的商業(yè)決策支持

系統(tǒng)，涉及到DBMS的優(yōu)化。

TPC-W

基于Web的商業(yè)事務(wù)處理活動(dòng)。面向事務(wù)處理的測(cè)試程序組件主要用于測(cè)試服務(wù)器的性能。◆測(cè)試基于Microsoft公司的Windows系列操 作系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試組件1.5定量分析技術(shù)根底PCMark04包括中央處理器測(cè)試組、內(nèi)存測(cè)試組、圖形芯片測(cè)試組、硬盤(pán)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。1.5定量分析技術(shù)根底SiSoftSandraPro2004擁有超過(guò)30種以上的分析與測(cè)試模組，主要包括有CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口〔如SCSI、APM/ACPI、網(wǎng)絡(luò)等〕、I/O設(shè)備〔如CD-ROM/DVD、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)等〕、主板等。1.5定量分析技術(shù)根底3DMark03主要測(cè)試顯卡性能和DirectX的性能。Prime95用來(lái)估計(jì)分布式計(jì)算程序的通信情況，可使計(jì)算機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，所以也用來(lái)測(cè)試計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性。

SuperPi/SuperE計(jì)算圓周率π/自然指數(shù)e的軟件，通常用來(lái)測(cè)試CPU的穩(wěn)定性?！粢恍?zhuān)門(mén)的性能指標(biāo)測(cè)試程序

1.5定量分析技術(shù)根底1.5.3性能設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)的根本原那么三條根本原那么和方法：1.大概率事件優(yōu)先的原那么對(duì)于大概率事件〔最常見(jiàn)的事件〕，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。2.Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。1.5定量分析技術(shù)根底(1)加速比

系統(tǒng)加速比依賴(lài)于兩個(gè)因素：可改進(jìn)比例：可改進(jìn)局部在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的

比例，它總是小于等于１的。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，那么該比例就是20/60。系統(tǒng)加速比==部件加速比：可改進(jìn)局部改進(jìn)以后的性能提高，

一般情況下它是大于１的。例如:系統(tǒng)改進(jìn)后執(zhí)行程序，其中可改進(jìn)局部花費(fèi)2秒的時(shí)間，而改進(jìn)前該局部需花費(fèi)5秒，那么性能提高為5/2。1.5定量分析技術(shù)根底總執(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)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后=不可改進(jìn)局部的執(zhí)行時(shí)間+

可改進(jìn)局部改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比:系統(tǒng)加速比=

=(2)Amdahl定律：性能遞減規(guī)那么如果僅僅對(duì)計(jì)算機(jī)中的一局部做性能改進(jìn)，那么改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。推論：如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一局部進(jìn)行優(yōu)化，那么所獲得的加速比不大于1/(1-fe)。(3)一個(gè)“好〞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：具有高性?xún)r(jià)比的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)帶寬平衡的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能。1.5定量分析技術(shù)根底3.程序的局部性原理程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩局部?！舫绦虻臅r(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?！舫绦虻目臻g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。1.5定量分析技術(shù)根底1.5.4CPU的性能1.將程序執(zhí)行的時(shí)間進(jìn)行分解

(1)計(jì)算機(jī)工作的時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與實(shí)現(xiàn)技術(shù)和工藝有關(guān)的因素。單位是MHz(f)。(2)總時(shí)鐘周期數(shù)

程序執(zhí)行的cpu時(shí)間:CPU時(shí)間=總時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻率

1.5定量分析技術(shù)根底2.“指令時(shí)鐘數(shù)〞CPI(CyclesPerInstruction)一個(gè)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。CPI=總時(shí)鐘周期數(shù)/IC

3.程序執(zhí)行的CPU時(shí)間可以寫(xiě)成

總CPU時(shí)間=CPI

IC/時(shí)鐘頻率

◆

時(shí)鐘頻率：反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝 和計(jì)算機(jī)組織。

IC：程序執(zhí)行過(guò)程中所處理的指令數(shù)。1.5定量分析技術(shù)根底◆

CPI：反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令集 的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織?！?/p>

IC：反映了計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。1.5定量分析技術(shù)根底假設(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)；那么程序執(zhí)行時(shí)間為CPU時(shí)間=(CPIiICi)/時(shí)鐘頻率CPI=(CPIiICi)/IC=(CPIiICi/IC)其中：(ICi/IC)反映了第i種指令在程序中所占的比例。i=1i=1i=1nnn1.5定量分析技術(shù)根底4.對(duì)CPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化例1.1假設(shè)我們考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法如下：(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。CPUB：在分支指令中包括比較過(guò)程在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期而所有其它指令占用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%；由于每個(gè)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CPUA1.5定量分析技術(shù)根底在分支時(shí)不需要比較，因此假設(shè)它的時(shí)鐘周期時(shí)間比CPUB快1.25倍。哪一個(gè)CPU更快？如果CPUA的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPUB快1.1倍，哪一個(gè)CPU更快呢？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=0.22+0.801=1.2那么CPU性能為：總CPU時(shí)間A=IC1.2時(shí)鐘周期A1.5定量分析技術(shù)根底根據(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：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=0.252+0.751=1.25因?yàn)镃PUB不執(zhí)行比較，故：ICB=0.8ICA1.5定量分析技術(shù)根底因此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

時(shí)鐘周期A)=1.25

ICA

時(shí)鐘周期A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。1.5定量分析技術(shù)根底如果CPUA的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPUB快1.1倍，那么時(shí)鐘周期B=1.10時(shí)鐘周期ACPUB的性能為：總CPU時(shí)間B=ICBCPIB時(shí)鐘周期B=0.8ICA1.25(1.10時(shí)鐘周期A)=1.10ICA時(shí)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。1.5定量分析技術(shù)根底1.6 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展1.6.1 并行性概念1.并行性在同一時(shí)刻或是同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。

只要時(shí)間上互相重疊，就存在并行性。

第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的根本概念◆

同時(shí)性

兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生的并行性?！?/p>

并發(fā)性

兩個(gè)或多個(gè)事件在在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生 的并行性。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的并行性有不同的等級(jí)

◆指令內(nèi)部并行：指令內(nèi)部的微操作之間的并行。

◆指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或多條指令。

◆線程級(jí)并行：并發(fā)執(zhí)行多個(gè)線程，通常是以一個(gè) 進(jìn)程內(nèi)控制派生的多個(gè)線程為調(diào)度單 位。

(1)從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級(jí)從低到高可分為1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展◆任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)過(guò) 程或任務(wù)(程序段)?！糇鳂I(yè)或程序級(jí)并行：在多個(gè)作業(yè)或程序間的并行。

(2)從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級(jí)從低到高可以分為◆字串位串:同時(shí)只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。◆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?！糇植⑽淮和瑫r(shí)對(duì)許多字的同一位(稱(chēng)位片)進(jìn) 行處理?！羧⑿校和瑫r(shí)對(duì)許多字的全部或局部位進(jìn)行處理。

1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展1.6.2提高并行性的技術(shù)途徑1.三種途徑(1)時(shí)間重疊多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)局部，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展(3)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。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展(2)資源重復(fù)根據(jù)“以數(shù)量取勝〞的原那么，通過(guò)重復(fù)地設(shè)置資源，尤其是硬件資源，以大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。2.單機(jī)系統(tǒng)中并行性的開(kāi)展

(1)在開(kāi)展高性能單處理機(jī)過(guò)程中，起著主導(dǎo)作用的是時(shí)間重疊這個(gè)途徑。實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊的根底:部件功能專(zhuān)用化?！舭岩患ぷ靼垂δ芊指顬榧僭O(shè)干相互聯(lián)系的局部；◆把每一局部指定給專(zhuān)門(mén)的部件完成；◆然后按時(shí)間重疊原那么把各局部執(zhí)行過(guò)程在時(shí)間上重疊起來(lái)，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展例如

對(duì)于解釋指令的五個(gè)過(guò)程，就分別需要五個(gè)專(zhuān)用的部件，即取指令部件(IF)、指令譯碼部件(ID)、指令執(zhí)行部件(EX)、訪問(wèn)存儲(chǔ)器部件(M)和寫(xiě)結(jié)果部件(WB)。先行控制指令流水線，操作流水線向量處理機(jī)異構(gòu)型〔非對(duì)稱(chēng)型〕多處理機(jī)系統(tǒng)

由多個(gè)不同類(lèi)型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對(duì)它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動(dòng)作。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展部件冗余多操作部件，多存儲(chǔ)體并行處理機(jī)，相聯(lián)處理機(jī)同構(gòu)型〔對(duì)稱(chēng)型〕多處理機(jī)系統(tǒng)(2)在單處理機(jī)中，資源重復(fù)的運(yùn)用已經(jīng)普遍起來(lái)。

由多個(gè)同類(lèi)型，至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展(3)資源共享

實(shí)質(zhì)：用單處理機(jī)模擬多處理機(jī)的功能，形成所謂虛擬機(jī)的概念。

多道程序，分時(shí)系統(tǒng)多終端，遠(yuǎn)程終端智能終端

分布處理系統(tǒng)把假設(shè)干個(gè)具有獨(dú)立功能的處理機(jī)〔或計(jì)算機(jī)〕相互連接起來(lái)，在操作系統(tǒng)全盤(pán)控制下，統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，而最少依賴(lài)集中的程序、數(shù)據(jù)或硬件。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展3.多機(jī)系統(tǒng)中并行性的開(kāi)展(1)耦合度反映多機(jī)系統(tǒng)的各機(jī)器之間的物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。◆

最低耦合耦合度最低的系統(tǒng)。除通過(guò)某種中間存儲(chǔ)介質(zhì)之外，各計(jì)算機(jī)之間沒(méi)有物理連接，也無(wú)共享的聯(lián)機(jī)硬件資源。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展◆

松散耦合或間接耦合系統(tǒng)通過(guò)通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間互連， 共享某些外圍設(shè)備(例如磁盤(pán)、磁帶等)，機(jī)間 的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)進(jìn)行?！?/p>

緊密耦合系統(tǒng)或直接耦全系統(tǒng) 機(jī)間物理連接的頻帶較高，它們往往通過(guò) 總線或高速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連，可以共享主存。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展(2)功能專(zhuān)用化

專(zhuān)用外圍處理機(jī)〔松散耦合系統(tǒng)〕高級(jí)語(yǔ)言處理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)處理機(jī)異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)(3)機(jī)間互連可重構(gòu)、容錯(cuò)多處理機(jī)緊密耦合系統(tǒng)同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展(4)

網(wǎng)絡(luò)化

通信處理機(jī)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)局部計(jì)算機(jī)網(wǎng)分布處理系統(tǒng)1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展比較項(xiàng)目同構(gòu)型多處理機(jī)異構(gòu)型多處理機(jī)分布處理系統(tǒng)目的提高系統(tǒng)性能(可靠性、速度)提高系統(tǒng)使用

效率兼顧效率與性能

技術(shù)途徑資源重復(fù)(機(jī)向互連)時(shí)間重迭(功能專(zhuān)用化)資源共享(網(wǎng)絡(luò)化)組成同類(lèi)型(同等功能)不同類(lèi)型(不同功能)不限制分工方式任務(wù)分布功能分布硬件、軟件、數(shù)據(jù)等各種資源分布工作方式一個(gè)作業(yè)由多機(jī)協(xié)同并行地完成一個(gè)作業(yè)由多機(jī)協(xié)同串行地完成一個(gè)作業(yè)由一臺(tái)處理機(jī)完成，必要時(shí)才請(qǐng)求它機(jī)協(xié)作控制形式常采用浮動(dòng)控制方式采用專(zhuān)用控制方式分布控制方式耦合度緊密耦合緊密、松散耦合松散、緊密耦合對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)的要求快速性、靈活性、可重構(gòu)性專(zhuān)用性快速、靈活、簡(jiǎn)單、通用三種類(lèi)型多處理機(jī)比較1.6.3并行計(jì)算的應(yīng)用需求

◆應(yīng)用需求永遠(yuǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提高的最大動(dòng)力?！舨⑿杏?jì)算那么是滿(mǎn)足永無(wú)止境計(jì)算能力要求的幾乎 唯一可行的出路。1.6計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中并行性的開(kāi)展y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjV$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMe