第1章-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

Ch1:ComputerAbstractions

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述27二月2024第1講：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述第2講：計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史IAS通用計(jì)算機(jī)模型機(jī)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)IBM360系列機(jī)：引入兼容性（系列機(jī)）概念DECPDP-8：引入總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件：CPU+MM+I/O計(jì)算機(jī)軟件：系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的接口：指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件如何在硬件上執(zhí)行本課程主要內(nèi)容什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種能對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)、高速算術(shù)和邏輯運(yùn)算的通用處理裝置。計(jì)算機(jī)的功能：數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳送、控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：高速：高速元件和“存儲(chǔ)程序”工作方式帶來(lái)高速性通用：體現(xiàn)在處理對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域沒(méi)有限制準(zhǔn)確：精度足夠的算術(shù)運(yùn)算帶來(lái)準(zhǔn)確性智能：邏輯推理能力帶智能性計(jì)算機(jī)的功能和特點(diǎn)回顧：計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第一代：真空管（電子管VacuumTube）1946～57年46年誕生第1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC體積大，重30噸，有18000多個(gè)真空管，5000次加法/s十進(jìn)制表示/運(yùn)算，存儲(chǔ)器由20個(gè)累加器組成，每個(gè)累加器存10位十進(jìn)制數(shù)，每一位由10個(gè)真空管表示。采用手動(dòng)編程，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)和插拔電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。馮·諾依曼機(jī)（VonNeumannMachine）45年馮·諾依曼提出“存儲(chǔ)程序(Stored-program)”思想，并于46年開(kāi)始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)?！按鎯?chǔ)程序”思想：

將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動(dòng)執(zhí)行。計(jì)算機(jī)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。

SKIPTheFirstGeneration:VacuumTubeComputers(1946-1957)Thefirstgeneral-purposecomputer-ENIACENIAC----NonvonNeumannModelBACK馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。各基本部件的功能是：存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒(méi)有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；控制器應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行指令；運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算；操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第二代：晶體管1958～64年元器件：邏輯元件采用晶體管，內(nèi)存由磁芯構(gòu)成，外存為磁鼓與磁帶。

特點(diǎn)：變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)(非總線結(jié)構(gòu))。軟件：使用高級(jí)語(yǔ)言，提供了系統(tǒng)軟件。代表機(jī)種：IBM7094(scientific)、1401(business)和DECPDP-1DECPDP-1晶體管：Transistor計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第三代：SSI/MSI1965～71年元器件：邏輯元件與主存儲(chǔ)器均由集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：微程序控制，Cache，虛擬存儲(chǔ)器，流水線等。代表機(jī)種：IBM360和DECPDP-8（大/巨型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展）巨型機(jī)(Supercomputer)：Cray-1大型機(jī)(Mainframe)：IBM360系列小型機(jī)(Minicomputer)：DECPDP-8Cray-1IBMSystem/360系列計(jì)算機(jī)IBM公司于1964年研制成功引入了“兼容機(jī)”（“系列機(jī)”）概念兼容機(jī)的特征：相同的或相似的指令集相同或相似的操作系統(tǒng)更高的速度更多的I/O端口數(shù)更大的內(nèi)存容量更高的價(jià)格低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)子集，稱為“向后兼容”。功能相同，而性能不同。IBM360問(wèn)題1：引入“兼容機(jī)”有什么好處？問(wèn)題2：實(shí)現(xiàn)“系列機(jī)”的關(guān)鍵是什么？DEC公司的PDP-8機(jī)同在64年出現(xiàn)。與IBM360相比，價(jià)格更低、更小巧，因而被稱為小型機(jī)（Minicomputer）PDP-8“創(chuàng)造了小型機(jī)的概念，并使之成為數(shù)十億美元的工業(yè)”，使DEC成為了最大的小型機(jī)制造商。主要特點(diǎn)：首次采用總線結(jié)構(gòu)。

Omnibus總線包含了96個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，用以傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置。PDP–8/E計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖問(wèn)題：“總線結(jié)構(gòu)”有什么好處？具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置節(jié)省器件，體積小，價(jià)格便宜計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史（第四代：LSI/VLSI/ULSI1972～至今）微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向普通用戶。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器70年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器74年位價(jià)格低于磁芯的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)，并快速下跌從70年起，存儲(chǔ)密度呈4倍提高（幾乎是每3年）微處理器微處理器芯片密度不斷增加，使CPU中所有元件放在一塊芯片上成為可能。71年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)微處理器芯片4004。特點(diǎn)：共享存儲(chǔ)器，分布式存儲(chǔ)器及大規(guī)模并行處理系統(tǒng)以后幾代（標(biāo)準(zhǔn)、意見(jiàn)不一）

（注：有稱第四代是VLSI，從80年代開(kāi)始；也有稱第四代是LSI，從72年開(kāi)始；有的又分成LSI時(shí)代和VLSI時(shí)代）計(jì)算機(jī)硬件：打開(kāi)計(jì)算機(jī)來(lái)看看PC主板CPU插座內(nèi)存條PCI總線插槽解剖一臺(tái)計(jì)算機(jī)

個(gè)人計(jì)算機(jī)由主機(jī)和外設(shè)組成主機(jī)中包含多個(gè)電路板每個(gè)電路板中有十幾個(gè)集成電路每個(gè)集成電路中有十幾個(gè)模塊每個(gè)模塊中有上千萬(wàn)個(gè)單元每個(gè)單元中有十幾個(gè)門電路每個(gè)門電路實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算

所有信息都用二進(jìn)制編碼表示IntegratedCircuitsmanufacturingprocess

單晶硅錠圓形薄片/硅拋光片（6/8/12寸,厚度不足1mm）IC小片/芯片不合格的用磁漿點(diǎn)上記號(hào)封裝：將芯片固定在塑膠或陶瓷基座上，把芯片上蝕刻出來(lái)的引線與基座底部伸出的引腳連接，蓋上蓋板并封焊成芯片約需400多道工序！“晶圓”/大芯片Pentium4處理器內(nèi)部布局Hardware/SoftwareInterface…,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,......temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)100011000100111100000000

0000

000010001100010100000000

0000

0000010010101100010100000000

0000

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0000101011000100111100000000

00000100軟件硬件Hardware/SoftwareInterface（界面）機(jī)器語(yǔ)言由指令代碼構(gòu)成，能被硬件直接執(zhí)行。軟件和硬件的界面：ISA（InstructionSetArchitecture）指令集體系結(jié)構(gòu)軟件硬件SoftwareSystemsoftware(系統(tǒng)軟件)-

簡(jiǎn)化編程過(guò)程，使硬件資源被有效利用

操作系統(tǒng)（OperatingSystem）：硬件資源管理，用戶接口語(yǔ)言處理系統(tǒng)：翻譯程序+Linker,Debug,Loader,etc…翻譯程序(Translator)有三類：匯編程序(Assembler)：匯編語(yǔ)言源程序→機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序編譯程序(Complier)：高級(jí)語(yǔ)言源程序→匯編/機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序解釋程序(Interpreter)：將高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句逐條翻譯成機(jī)器指令并立即執(zhí)行,不生成目標(biāo)文件。其他實(shí)用程序:如：磁盤碎片整理程序、備份程序等Applicationsoftware(應(yīng)用軟件)

-解決具體應(yīng)用問(wèn)題/完成具體應(yīng)用任務(wù)各類媒體處理程序：Word/Image/Graphics/…管理信息系統(tǒng)(MIS)Game,…ComputerHierarchy（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次）I/OCPUCompilerOperatingSystemApplicationDigitalDesignCircuitDesign°上圖給出的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)（即ISA）是軟/硬件的交界面InstructionSetArchitecture°不同用戶工作在不同層次，所看到的計(jì)算機(jī)不一樣最終用戶EndUser應(yīng)用程序員ApplicationProgrammer系統(tǒng)管理員SystemAdministrator系統(tǒng)程序員SystemProgrammerMMAssembler°中間陰影部分就是本課程主要內(nèi)容，處于最核心的部分！一個(gè)典型系統(tǒng)的硬件組成PC：程序計(jì)數(shù)器；ALU：算術(shù)/邏輯單元；USB：通用串行總線CPUMMInput/Output一個(gè)典型程序的轉(zhuǎn)換處理過(guò)程1#include<stdio.h>23intmain()4{5printf("hello,world\n");6}經(jīng)典的“hello.c”C-源程序#include<sp><stdio.3510511099108117100101326011511610010511146h>\n\nint<sp>main()\n{1046210101051101163210997105110404110123\n<sp><sp><sp><sp>printf("hel103232

32

321121141051101161024034104101108lo,<sp>world\n");\n}10811144321191111141081009211034415910125hello.c的ASCII文本表示計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別hello.c源程序嗎？不能，需要轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言代碼!即：編譯程序的功能是：輸出“hello,world”Hello程序的數(shù)據(jù)流動(dòng)過(guò)程“hello”Hello可執(zhí)行文件Red：shell命令行處理Blue：可執(zhí)行文件加載Cyan：hello程序執(zhí)行過(guò)程“hello”“hello,world/n”“hello,world/n”所有過(guò)程都是在CPU執(zhí)行指令所產(chǎn)生的控制信號(hào)的作用下進(jìn)行的。數(shù)據(jù)經(jīng)常在各存儲(chǔ)部件間傳送。故現(xiàn)代計(jì)算機(jī)大多采用“緩存”技術(shù)！unix>./hellohello,worldunix>[Enter]該課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容信息（指令和數(shù)據(jù)）在計(jì)算機(jī)中如何表示？指令系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)？如何設(shè)計(jì)高性能CPU?如何設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)？如何設(shè)計(jì)I/O?如何設(shè)計(jì)總線BUS?CourseOutline性能評(píng)價(jià)（Performancemeasurement）計(jì)算機(jī)算術(shù)（ArithmeticforComputer）數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)（MemoryHierarchies）指令集體系結(jié)構(gòu)（InstructionSetArchitecture）CPU設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路(Datapath)和控制器(ControlUnit)流水線技術(shù)(Pipelining)系統(tǒng)總線（SystemBuses）輸入/輸出系統(tǒng)（Input/Outputsystem）第二講計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)制造成本（manufacturingcost）衡量計(jì)算機(jī)性能的基本指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間（responsetime）執(zhí)行時(shí)間（executionTime）、等待時(shí)間（latency）throughput（吞吐量）帶寬（bandwidth）

計(jì)算機(jī)性能測(cè)量

指令執(zhí)行速度（MIPS、MFLOPS）基準(zhǔn)程序（Benchmark）單晶硅錠圓形薄片/硅拋光片（6/8/12寸,厚度不足1mm）IC小片/芯片不合格的用磁漿點(diǎn)上記號(hào)封裝：將芯片固定在塑膠或陶瓷基座上，把芯片上蝕刻出來(lái)的引線與基座底部伸出的引腳連接，蓋上蓋板并封焊成芯片約需400多道工序！“晶圓”/大芯片回顧:IntegratedCircuitsCosts---manufacturingprocess在考察性能前，先考察成本！IntegratedCircuitsCosts公式Diecost=

Diesperwafer=

DieYield=

由此看出：每個(gè)圓晶片上的小片數(shù)、集成電路成本都與芯片面積有關(guān)！小片合格率芯片成本與以下因素有關(guān)：圓晶價(jià)格圓晶所含小片數(shù)小片合格率2))___(1(1areaDieareaperDefectx+計(jì)算機(jī)性能的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)"XisntimesfasterthanY"means

ExTime(Y) Performance(X) =

ExTime(X) Performance(Y)相對(duì)性能用執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)來(lái)表示！°計(jì)算機(jī)有兩種不同的性能°Timetodothetask響應(yīng)時(shí)間（responsetime）執(zhí)行時(shí)間（executiontime）等待時(shí)間或時(shí)延（latency）°Tasksperday,hour,sec,ns...吞吐率（throughput）帶寬（bandwidth）°基本的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：CPU的執(zhí)行時(shí)間不同應(yīng)用場(chǎng)合用戶關(guān)心的性能不同：要求吞吐率高的場(chǎng)合，例如：

多媒體應(yīng)用（音/視頻播放要流暢）要求響應(yīng)時(shí)間短的場(chǎng)合：例如：

事務(wù)處理系統(tǒng)（存/取款速度要快）要求吞吐率高且響應(yīng)時(shí)間短的場(chǎng)合：

ATM、文件服務(wù)器、Web服務(wù)器等計(jì)算機(jī)性能的測(cè)量比較計(jì)算機(jī)的性能時(shí)，用執(zhí)行時(shí)間來(lái)衡量完成同樣工作量所需時(shí)間最短的那臺(tái)計(jì)算機(jī)就是性能最好的處理器時(shí)間往往被多個(gè)程序共享使用，因此，用戶感覺(jué)到的程序執(zhí)行時(shí)間并不是程序真正的執(zhí)行時(shí)間（從hello程序執(zhí)行過(guò)程可知）通常把用戶感覺(jué)到的響應(yīng)時(shí)間分成以下兩個(gè)時(shí)間：CPU時(shí)間：指CPU真正花在程序執(zhí)行上的時(shí)間。又包括兩部分：用戶CPU時(shí)間：用來(lái)運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間系統(tǒng)CPU時(shí)間：為了執(zhí)行用戶程序而需要運(yùn)行操作系統(tǒng)程序的時(shí)間其他時(shí)間：指等待I/O操作完成或CPU花在其他用戶程序的時(shí)間系統(tǒng)性能和CPU性能不等價(jià)，有一定的區(qū)別系統(tǒng)性能(Systemperformance)：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，與CPU外的其他部分也都有關(guān)系CPU性能(CPUperformance)：用戶CPU時(shí)間本章主要討論CPU性能，即：CPU真正用在用戶程序執(zhí)行上的時(shí)間問(wèn)題：用戶CPU時(shí)間與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間哪個(gè)更長(zhǎng)？CPU執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算CPU執(zhí)行時(shí)間

=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序X

時(shí)鐘周期=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序÷

時(shí)鐘頻率=

指令條數(shù)/程序XCPIX時(shí)鐘周期CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序=

指令條數(shù)/程序XCPICPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序÷指令條數(shù)/程序CPI用來(lái)衡量以下各方面的綜合結(jié)果InstructionSetArchitecture（ISA）ImplementationofthatarchitectureProgram（Compiler、Algorithm）CPI：CyclesPerInstructionAspectsofCPUPerformanceCPUtime=Seconds=InstructionsxCyclesxSeconds Program ProgramInstructionCycle

instr.count CPIclockrateProgramCompilerInstr.SetArch.OrganizationTechnology思考：三個(gè)因素與哪些方面有關(guān)？AspectsofCPUPerformanceCPUtime=Seconds=InstructionsxCyclesxSeconds Program ProgramInstructionCycle

instr.count CPIclockrateProgram XXCompilerX(X)Instr.SetArch.XXOrganizationXXTechnologyX問(wèn)題：ISA、計(jì)算機(jī)組織（Organization）、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)（Technology）三者的關(guān)系是什么？Architecture=InstructionSetArch.+OrganizationComputerDesignComputerHardwareDesign°MachineImplementation°LogicDesigner'sView°"ProcessorArchitecture"°"ComputerOrganization""ConstructionEngineer"InstructionSetDesign°MachineLanguage°CompilerView°"ComputerArchitecture"°"InstructionSetProcessor""BuildingArchitect"“建筑設(shè)計(jì)師”功能定義與設(shè)計(jì)“建造工程師”考慮用什么材料，如何布線等例如，是否提供“乘法指令”是ISA設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題；如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（用專門的乘法器還是用一個(gè)加法器+移位器實(shí)現(xiàn)）是組成（Organization）考慮的問(wèn)題；如何布線、用什么材料、工藝設(shè)計(jì)等是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)（Technology）考慮的問(wèn)題。如何計(jì)算CPI?對(duì)于某一條特定的指令而言，其CPI是一個(gè)確定的值。但是，對(duì)于某一類指令、或一個(gè)程序、或一臺(tái)機(jī)器而言，其CPI是一個(gè)平均值，表示該類指令或該程序或該機(jī)器的指令集中每條指令執(zhí)行時(shí)平均需要多少時(shí)鐘周期。假定CPIi

、

Fi是各指令CPI和在程序中的出現(xiàn)頻率，則程序綜合CPI為:CPI=

where

=x∑niiiFCPI1CountnInstructioCFii_=CPU時(shí)間=

時(shí)鐘周期x假定CPIi和Ci分別為第i類指令的CPI和指令條數(shù)，則程序的總時(shí)鐘數(shù)為：=x∑niiiCCPI1=x∑niiiCCPI1總時(shí)鐘數(shù)=所以，CPI=(CPU時(shí)間×?xí)r鐘頻率)/指令條數(shù)=總時(shí)鐘周期數(shù)/指令條數(shù)已知CPU時(shí)間、時(shí)鐘頻率、總時(shí)鐘數(shù)、指令條數(shù)，則程序綜合CPI為:問(wèn)題：指令的CPI、機(jī)器的CPI、程序的CPI各能反映哪方面的性能？

單靠CPI不能反映CPU的性能！為什么？如：?jiǎn)沃芷谔幚砥鰿PI=1，但性能差！Example1程序P在機(jī)器A上運(yùn)行需10s，機(jī)器A的時(shí)鐘頻率為400MHz?，F(xiàn)在要設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器B，希望該程序在B上運(yùn)行只需6s.機(jī)器B時(shí)鐘頻率的提高導(dǎo)致了其CPI的增加，使得程序P在機(jī)器B上時(shí)鐘周期數(shù)是在機(jī)器A上的1.2倍。機(jī)器B的時(shí)鐘頻率達(dá)到A的多少倍才能使程序P在B上執(zhí)行速度是A上的10/6=1.67倍？Answer:

CPU時(shí)間A=時(shí)鐘周期數(shù)A/時(shí)鐘頻率A

時(shí)鐘周期數(shù)A=10secx400MHz=4000M個(gè)

時(shí)鐘頻率B=時(shí)鐘周期數(shù)B/CPU時(shí)間B=1.2x

4000M/6sec=800MHz機(jī)器B的頻率是A的兩倍，但機(jī)器B的速度并不是A的兩倍！MarketingMetrics（產(chǎn)品宣稱指標(biāo)）MIPS =InstructionCount/Timex106=ClockRate/CPIx106MillionInstructionsPerSecond因?yàn)槊織l指令執(zhí)行時(shí)間不同，所以MIPS總是一個(gè)平均值。不同機(jī)器的指令集不同程序由不同的指令混合而成指令使用的頻度動(dòng)態(tài)變化PeakMIPS:（不實(shí)用）所以MIPS數(shù)不能說(shuō)明性能的好壞（用下頁(yè)中的例子來(lái)說(shuō)明）MFLOPS=FPOperations/Timex106MillionFloating-pointOperationsPerSecond與機(jī)器相關(guān)性大并不是程序中花時(shí)間的部分用MIPS數(shù)表示性能有沒(méi)有局限?用MFLOPS數(shù)表示性能也有局限！問(wèn)題：TFLOPS、PFLOPS等的含義是什么？Example:MIPS數(shù)不可靠！Assumewebuildanoptimizingcompilerfortheload/storemachine.Thecompilerdiscards50%oftheALUinstructions.1)WhatistheCPI?2)Assuminga20nsclockcycletime(50MHzclockrate).WhatistheMIPSratingforoptimizedcodeversusunoptimizedcode?DoestheMIPSratingagreewiththeratingofexecutiontime?OpFreqCycleALU 43% 1Load 21% 2Store 12% 2Branch 24% 2NewFreq27%27%15%31% OptimizingcompilerCPI1.571.73MIPS31.828.9

結(jié)果：因?yàn)閮?yōu)化后減少了ALU指令（其他指令數(shù)沒(méi)變），所以程序執(zhí)行時(shí)間一定減少了，但優(yōu)化后的MIPS數(shù)反而降低了。21.5/(21.5+21+12+24)=27%21/(21.5+21+12+24)=27%12/(21.5+21+12+24)=15%24/(21.5+21+12+24)=31%50M/1.57=31.8MIPS50M/1.73=28.9MIPS僅僅在軟件上進(jìn)行優(yōu)化，沒(méi)有涉及到任何硬件措施。選擇性能評(píng)價(jià)程序（Benchmarks）用基準(zhǔn)程序來(lái)評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)的性能基準(zhǔn)測(cè)試程序是專門用來(lái)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的一組程序不同用戶使用的計(jì)算機(jī)用不同的基準(zhǔn)程序基準(zhǔn)程序通過(guò)運(yùn)行實(shí)際負(fù)載來(lái)反映計(jì)算機(jī)的性能最好的基準(zhǔn)程序是用戶實(shí)際使用的程序或典型的簡(jiǎn)單程序基準(zhǔn)程序的缺陷現(xiàn)象：基準(zhǔn)程序的性能與某段短代碼密切相關(guān)時(shí)，會(huì)被利用以得到不當(dāng)?shù)男阅茉u(píng)測(cè)結(jié)果手段：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員或編譯器開(kāi)發(fā)者針對(duì)這些代碼片段進(jìn)行特殊的優(yōu)化，使得執(zhí)行這段代碼的速度非?？炖?：IntelPentium處理器運(yùn)行SPECint時(shí)用了公司內(nèi)部使用的特殊編譯器，使其性能極高例2：矩陣乘法程序SPECmatrix300有99%的時(shí)間運(yùn)行在一行語(yǔ)句上，有些廠商用特殊編譯器優(yōu)化該語(yǔ)句，使性能達(dá)VAX11/780的729.8倍！SuccessfulBenchmark:SPEC

1988年，5家公司（Sun,MIPS,HP,Apollo,DEC）聯(lián)合提出了SPEC

(SystemsPerformanceEvaluationCommittee)SPEC給出了一組標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序、標(biāo)準(zhǔn)輸入和測(cè)試報(bào)告。它們是一些實(shí)際的程序，包括OScalls、I/O等。版本89：10programs=4forinteger+6forFP,用每個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間求出一個(gè)綜合性能指標(biāo)版本92：SPECInt92(6integerprograms)andSPECfp92(14floatingpointprograms)整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)單獨(dú)提供衡量指標(biāo)：SPECInt92和SPECfp92增加SPECbase:禁止使用任何與程序有關(guān)的編譯優(yōu)化開(kāi)關(guān)版本95：8int+10fp較新版本：includeSPECHPC96,SPECJVM98,SPECWEB99,SPECOMP2001.SPECCPU2000，Seehttp://

“benchmarksusefulfor3years”BasemachineischangedfromVAX-11/780toSunSPARC10/40如何給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果?Program1:1seconmachineA,10