第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)性能分析第3章通道處理機(jī)第4章流水技術(shù)和向量處理第5章陣列計(jì)算機(jī)第6章多處理機(jī)系統(tǒng)第7章其它計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)11/7/20241第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展11/7/20242本章學(xué)習(xí)要求了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)的定義及屬性，會(huì)透明性分析掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、性能計(jì)算掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類，特別是Flynn分類了解軟件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響11/7/20243什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種不需要人的直觀干預(yù)而能自動(dòng)完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算的工具隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)已由單一的數(shù)值計(jì)算，擴(kuò)展到信息處理、知識(shí)推理等非計(jì)算領(lǐng)域說明：隨著技術(shù)的發(fā)展，概念有所變化計(jì)算機(jī)是工具11/7/20244計(jì)算機(jī)的功能科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理（信息處理）過程控制人工智能……11/7/202451.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念機(jī)器：能存儲(chǔ)和執(zhí)行相應(yīng)語言程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行體計(jì)算機(jī)語言：是用以描述控制流程的、有一定規(guī)則的字符集合語言不是專屬軟件范疇，可以介屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)層次，具有不同作用11/7/20246

從使用語言的角度上，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看成按功能劃分的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)機(jī)器、匯編、高級(jí)、應(yīng)用語言

低級(jí)高級(jí)后者比前者功能更強(qiáng)、使用更方便；而前者是后者發(fā)展的基礎(chǔ)，在單條指令的執(zhí)行速度相比較，前者更快。1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)11/7/20247計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)圖微程序/硬聯(lián)直接由硬件執(zhí)行解釋部分解釋（操作系統(tǒng)）翻譯（匯編程序）翻譯（編譯程序）翻譯（應(yīng)用程序包）應(yīng)用語言級(jí)L5虛擬機(jī)高級(jí)語言機(jī)器L4虛擬機(jī)匯編語言機(jī)器L3虛擬機(jī)應(yīng)用軟件固件系統(tǒng)軟件傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)機(jī)器軟硬件交界面L2虛擬機(jī)物理機(jī)器硬件軟件11/7/20248多級(jí)層次結(jié)構(gòu)（機(jī)器—語言）M5:應(yīng)用語言機(jī)器------應(yīng)用語言（L5）M4:高級(jí)語言機(jī)器------高級(jí)語言（L4）M3:匯編語言機(jī)器------匯編語言（L3）M2:操作系統(tǒng)機(jī)器------作業(yè)控制語言（L2）M1:傳統(tǒng)機(jī)器------------機(jī)器語言（L1）M0:微程序機(jī)器---------微程序語言（L0）11/7/20249從設(shè)計(jì)人員看到的層次應(yīng)用程序級(jí)用戶高級(jí)語言級(jí)高級(jí)語言程序員匯編語言級(jí)匯編語言程序員操作系統(tǒng)級(jí)操作員機(jī)器語言級(jí)機(jī)器語言程序員微程序控制級(jí)邏輯程序員硬聯(lián)邏輯級(jí)硬件設(shè)計(jì)員11/7/202410翻譯(Translation)：先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患?jí)機(jī)器級(jí)上的程序整個(gè)地變換成低一級(jí)機(jī)器級(jí)上可運(yùn)行的等效程序（中間程序），然后再在低一級(jí)機(jī)器級(jí)上去實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。例：英語翻譯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的翻譯功能常由應(yīng)用程序包、編譯程序、匯編程序等軟件完成。11/7/202411解釋（Interpretation）：在低一級(jí)機(jī)器級(jí)上用它的一串語句或指令來仿真高一級(jí)機(jī)器上的一條語句或指令的功能，通過對(duì)高一級(jí)機(jī)器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實(shí)現(xiàn)的技術(shù)解釋過程中不生成中間程序（節(jié)省了存儲(chǔ)空間）或者：一條N+1級(jí)指令--〉一串N級(jí)指令例：解釋一件事11/7/202412翻譯和解釋是語言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)。解釋比翻譯費(fèi)時(shí)，但節(jié)省存儲(chǔ)空間翻譯為整體行為，可以優(yōu)化，效率高，與平臺(tái)有關(guān)解釋為局部行為，不優(yōu)化，效率低，與平臺(tái)無關(guān)翻譯+解釋：Java11/7/202413控制流程的三種實(shí)現(xiàn)方法全硬件、軟硬件結(jié)合、全軟件邏輯上等價(jià)，物理意義上不等價(jià)硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多發(fā)展趨勢硬件實(shí)現(xiàn)的比例越來越高硬件所占的成本越來越低11/7/202414計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件成本變化成本年代軟件硬件70年代11/7/202415從概念和功能上將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：1.理解軟件、硬件、固件的地位和作用

2.理解各種語言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑

3.探索虛擬機(jī)新的實(shí)現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件固件實(shí)現(xiàn)——高級(jí)語言機(jī)器多處理機(jī)系統(tǒng)——由真正微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)

4.理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義

5.在一臺(tái)真正的宿主機(jī)上通過模擬或仿真另一臺(tái)不同的假想機(jī)器——自虛擬技術(shù)

11/7/2024161.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)定義與理解三者的相互關(guān)系11/7/202417計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

SystemArchitecture是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級(jí)之間界面的劃分和定義，以及對(duì)各級(jí)界面上、下的功能進(jìn)行分配1964年，IBM/360系列機(jī)的總設(shè)計(jì)工程師G.M.Amdahl、G.A.Blauw、F.P.Brooks等人提出。也稱體系結(jié)構(gòu)。是從程序員的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，是概念上的結(jié)構(gòu)和功能上的行為它不同于數(shù)據(jù)流程和控制的組織，不同于邏輯設(shè)計(jì)以及物理實(shí)現(xiàn)方法11/7/202418定義的理解從兩個(gè)角度理解一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然是“從程序員的角度所看到的系統(tǒng)的屬性”，那么每一級(jí)“機(jī)器”都有一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且它們相互不同二是將計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義在傳統(tǒng)機(jī)器界面（M1）程序員所看到的計(jì)算機(jī)的基本屬性11/7/202419計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本屬性一般應(yīng)包括以下幾個(gè)方面指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、操作數(shù)的尋址方式寄存器的構(gòu)成定義、中斷機(jī)構(gòu)和例外條件存儲(chǔ)體系和管理、I/O結(jié)構(gòu)機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護(hù)在所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關(guān)鍵的11/7/202420計(jì)算機(jī)組成

ComputerOrganization研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性，目標(biāo)是用最合理地方式將各種設(shè)備和部件連接為計(jì)算機(jī)，以達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比，從而實(shí)現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。11/7/202421計(jì)算機(jī)組成的基本屬性數(shù)據(jù)通路寬度各種操作功能部件的共享程度專用部件的設(shè)置功能部件的并行性緩沖和排隊(duì)技術(shù)控制機(jī)構(gòu)的組成方式預(yù)測技術(shù)可靠性技術(shù)11/7/202422計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

ComputerImplementation研究各部件的物理結(jié)構(gòu)、機(jī)器的制造技術(shù)和工藝等，它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)主存的物理實(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器采用什么樣器件，邏輯電路設(shè)計(jì)和微組裝技術(shù)均屬計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)它是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)11/7/202423定義理解舉例主存系統(tǒng)主存容量與編址方式的確定-----------系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主存速度的確定、邏輯結(jié)構(gòu)的模式---組成器件的選定、電路的設(shè)計(jì)、組裝技術(shù)---實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的確定--------系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令的實(shí)現(xiàn)--------------組成具體電路、器件設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)---實(shí)現(xiàn)11/7/202424系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)相互關(guān)系*具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的組成，一種計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（系列機(jī)與兼容機(jī)）*采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)使可以采用的組成技術(shù)產(chǎn)生差異，計(jì)算機(jī)組成也會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11/7/202425是否設(shè)置乘方/開方指令邏輯設(shè)計(jì)1（硬聯(lián)電路）實(shí)現(xiàn)方案1(V1,$1,T1)邏輯設(shè)計(jì)3微程序邏輯設(shè)計(jì)2（ROM查表）實(shí)現(xiàn)方案2(V2,$2,T2)實(shí)現(xiàn)方案3(V3,$3,T3)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的組成相同計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(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)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是否11/7/202426舉例：不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)軟件的影響A:=B+CD:=E*F面向三地址尋址：ADDB,C,AMPYE,F,D面向寄存器：LOADR1,BADDR1,CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D11/7/202427透明性Transparency本來存在的事物或?qū)傩?，從某個(gè)角度去看卻看不到。在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性往往對(duì)高層機(jī)器的程序員是透明的。計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器程序員來講一般是透明的。11/7/202428舉例1在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語言的程序員來說是透明的，而對(duì)匯編語言的程序員來說不是透明的。這說明高級(jí)語言的程序員不必知道機(jī)器的指令系統(tǒng)、中斷機(jī)構(gòu)等，這些本來存在的屬性，對(duì)高級(jí)語言的程序員來說好像不存在一樣，所以說是透明的。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，存儲(chǔ)器采用交叉存取還是并行存取、CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路的寬度是8位還是16位，這些都是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)組成來說這些不是透明的。11/7/202429舉例2指令執(zhí)行采用串行、重疊還是流水控制方式，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是透明的，但對(duì)計(jì)算機(jī)組成來說不是透明的。乘法指令采用專用乘法器實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)組成來說不是透明的存儲(chǔ)器采用哪種芯片，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成來說是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)來說不是透明的。11/7/2024301.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類采用的基本器件分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本分類1966年MichaelJ.Flynn分類1978年DavidJ.Kuck分類1972年馮澤云分類11/7/202431一按采用的基本器件分類計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代第一代：電子管計(jì)算機(jī)第二代：晶體管計(jì)算機(jī)第三代：中小規(guī)模集成電路第四代：大或超大規(guī)模集成電路第五代：VLSI(甚大規(guī)模集成電路)計(jì)算機(jī)性能的大幅度提高和更新?lián)Q代，一方面依靠器件的不斷更新，同時(shí)也依賴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。硬件設(shè)計(jì)公理：越小越快11/7/202432二按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本分類巨型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)：SuperComputer大型計(jì)算機(jī)：MainComputer中型計(jì)算機(jī)：MidComputer小型計(jì)算機(jī)：MiniComputer微型計(jì)算機(jī)：MicroComputer工作站：Workstation介于小型機(jī)和微型機(jī)之間，具有小型機(jī)的性能，微型機(jī)的價(jià)格11/7/202433三Flynn（弗林）分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類1.基本概念

指令流(instructionstream)：機(jī)器執(zhí)行的指令序列

數(shù)據(jù)流(datastream)：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列

多倍性(multiplicity)：在系統(tǒng)瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)11/7/202434多指令流多數(shù)據(jù)流

MIMD(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream)（多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）2.分類單指令流單數(shù)據(jù)流

SISD(SingleInstructionstreamSingleDatastream)

(傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，如IA結(jié)構(gòu)的PC機(jī))單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionstreamMultipleDatastream)

(陣列計(jì)算機(jī)，如ILLIACⅣ機(jī))多指令流單數(shù)據(jù)流

MISD(MultipleInstructionstreamSingleDatastream)（較先進(jìn)的流水線處理機(jī)，如VLIW機(jī)）11/7/202435四DavidJ.Kuck分類庫克分類：指令流、執(zhí)行流、多倍性單指令流單執(zhí)行流SISE單指令流多執(zhí)行流SIME多指令流單執(zhí)行流MISE多指令流多執(zhí)行流MIME11/7/202436五1972年馮澤云分類用最大并行度Pm分類最大并行度Pm:在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)11/7/202437橫坐標(biāo)代表字寬(n位)，即在一個(gè)字中同時(shí)處理的二進(jìn)制位數(shù)縱坐標(biāo)代表位片寬度(m位)，即在一個(gè)位片中能同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)

字寬n位片寬m。。n=1,m=1,字串位串(WSBS)如串行計(jì)算機(jī)。n>1,m=1,字并位串(WPBS)如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。。1163264116326425628816384。。。。。n>1,m>1,字并位并(WPBP)如陣列計(jì)算機(jī)。n=1,m>1,字串位并(WSBP)如STARAN等機(jī)。MPPSTARANPDP-11IBM360TI-ASCILLIACPEPECmmp。11/7/2024381.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理---加快經(jīng)常性事件的速度---Amdahl定律---程序訪問的局部性規(guī)律1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法---軟硬件舍取的基本原則---計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)---計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法（三種）11/7/2024391.加快經(jīng)常性事件的速度Makethecommoncasefast例如：CPU中的加法這是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中最重要也最廣泛采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。使經(jīng)常性事件的處理速度加快能明顯提高整個(gè)系統(tǒng)的性能1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理11/7/2024402.Amdahl定律系統(tǒng)對(duì)某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。11/7/202441Amdahl定律（理解）CPU硬件系統(tǒng)ALU占系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的30%編譯軟件系統(tǒng)公共子程序30%被加（提）速部件要優(yōu)化改進(jìn)的軟件11/7/202442Amdahl定律表達(dá)式表示被改進(jìn)部分在改進(jìn)前占系統(tǒng)的比例表示被改進(jìn)部分的加速比11/7/202443Amdahl表達(dá)式的解釋改進(jìn)后的執(zhí)行總時(shí)間=不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間+不可改進(jìn)部分的比例可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間11/7/202444Amdahl舉例假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)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：由題意可知fe=0.4,re=10,根據(jù)Amdahl定律11/7/2024453.程序訪問的局部性規(guī)律程序訪問局部性主要反映在時(shí)間和空間局部性兩個(gè)方面時(shí)間局部性是指程序中近期被訪的信息項(xiàng)很可能馬上將被再次訪問；空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰近的信息項(xiàng)很可能會(huì)被一起訪問這是構(gòu)成存儲(chǔ)體系（存儲(chǔ)層次）的主要規(guī)律

11/7/2024461.軟硬取舍的基本原則原則一：在現(xiàn)有器件和技術(shù)條件下，系統(tǒng)要有高的性能價(jià)格比原則二：不應(yīng)對(duì)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)有過多的限制原則三：對(duì)軟件提供更多更好的支持（OS、編譯、高級(jí)語言）

1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法11/7/2024472.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)要滿足用戶對(duì)功能上的要求以及相應(yīng)的對(duì)價(jià)格和性能要求

在滿足功能要求基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)日后發(fā)展趨勢

11/7/202448計(jì)算機(jī)發(fā)展的基本趨勢

一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)大約每年增加25％，因此每三年可增加一倍；

器件的開關(guān)速度增長基本類似DRAM的密度每年增長約60％，因此每三年將增長三倍；

訪問存儲(chǔ)器周期改進(jìn)相應(yīng)較慢，每十年約減少1／3；硬盤密度每年增加25％，每三年增加一倍，訪問時(shí)間則每十年減少1／3。11/7/202449計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法方法一：“由上往下”設(shè)計(jì)：

先考慮如何滿足應(yīng)用要求，確定好面對(duì)使用者那級(jí)機(jī)器應(yīng)有什么基本功能和特性，如基本命令、指令或語言結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型和格式等，然后再逐級(jí)往下設(shè)計(jì)，每級(jí)都考慮怎樣優(yōu)化上一級(jí)實(shí)現(xiàn)。方法特征：它適合于專用機(jī)設(shè)計(jì)，不適合于通用機(jī)設(shè)計(jì)。

11/7/202450方法二：由下往上設(shè)計(jì)

不管應(yīng)用要求，只根據(jù)能拿到的器件參照或吸收已有各種機(jī)器的特點(diǎn)，先設(shè)計(jì)出微程序機(jī)器級(jí)(如果采用微程序控制)及傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)，然后再為不同應(yīng)用配多種操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)軟件。方法特征：設(shè)計(jì)周期長。當(dāng)一種結(jié)構(gòu)的機(jī)器完成以后，硬件技術(shù)又已發(fā)展了一大步。20世紀(jì)60—70年代前常用此方法。11/7/202451方法三：由中間開始設(shè)計(jì)

先進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配，既要考慮能拿到的硬、器件，又要考慮可能的應(yīng)用所需的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先定義好這個(gè)交界面。確定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要考慮好硬件對(duì)操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供些什么支持。然后由這個(gè)中間點(diǎn)分別往上、往下進(jìn)行軟件和硬件的設(shè)計(jì)?！爸虚g”指傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)界面。方法特征：設(shè)計(jì)周期短，軟硬件結(jié)合。

11/7/2024521.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)CPU性能公式（CPU工作時(shí)間）MIPS和MFLOPS

基準(zhǔn)測試程序

性能評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和比較

11/7/2024531.3.1CPU性能公式一個(gè)程序在CPU上運(yùn)行所需的時(shí)間：其中，11/7/2024541.3.2MIPS和MFLOPSMIPS每秒（可執(zhí)行）百萬條指令MFLOPS每秒（可執(zhí)行）百萬條浮點(diǎn)指令11/7/202455舉例

例1用一臺(tái)4OMHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令條數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算

150002控制轉(zhuǎn)移

80002求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時(shí)間。11/7/202456解：依題意可知IN=105條，n=4，11/7/202457例2某工作站采用時(shí)鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來執(zhí)行一個(gè)巳知混合程序。假定每次存儲(chǔ)器存取為1周期延遲、試問：(1)

此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少?

(2)假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到30MHz，但存儲(chǔ)器子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲(chǔ)器存取需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。如果30％指令每條只需要一次存儲(chǔ)存取，而另外5％每條需要兩次存儲(chǔ)存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能。解(1)11/7/202458(2)依題意可知：30%的指令需要一次存儲(chǔ)存取，則這些指令在處理器提高時(shí)鐘頻率之后需要增加1個(gè)時(shí)鐘周期；另外5%的指令需要增加2個(gè)時(shí)鐘周期。

改進(jìn)后性能提高情況可用CPU時(shí)間之比表示：

11/7/2024591.3.3基準(zhǔn)測試程序用于評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的基準(zhǔn)測試程序(Benchmark)。采用實(shí)際應(yīng)用程序。如c語言的各種編譯程序及CAD工具軟件等；從實(shí)際程序中抽取少量關(guān)鍵循環(huán)程序段來組成核心程序，以此來評(píng)估性能；合成測試程序。它類似于核心程序方法，但這種合成測試程序是人為編制的。較流行的合成測試程序有Whetstone和Dhrystone兩種.

11/7/202460SPEC測試程序在1988年，美國HP、DEC、MIPS以及SUN公司，發(fā)起成立了SPEC(StandardPerformanceEvaluationCorporation)(標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)估協(xié)會(huì))SPEC是一非盈利社團(tuán)，致力于“建立、維護(hù)和認(rèn)可一個(gè)基準(zhǔn)測試程序標(biāo)準(zhǔn)化集，以用于最新一代高性能計(jì)算機(jī)的性能衡量?！盨PEC89、92、95和2000共四個(gè)版本11/7/202461

SPEC89由10個(gè)工程/科學(xué)測試程序（GCC，Espresso，Splce2g6，DODUC，NASA7，Li，Eqntott，Matrix300，F(xiàn)PPPP，TOMCATV）組成。

其中4個(gè)用C語言編寫(GCC，Espresso，Li和Eqntott)用于整數(shù)運(yùn)算，6個(gè)用FORTRAN語言編寫，用于浮點(diǎn)運(yùn)算。計(jì)算所得SPECmark的分值越大越好，它是相對(duì)于VAX—11／780的性能，lSPEC分值約相當(dāng)于0.2～0.3MFLOPS。SPEC89后來演化出兩個(gè)測試程序集：SPECmark測量10個(gè)程序的執(zhí)行速率，SPECthruput考察系統(tǒng)的吞吐率。11/7/202462SPEC92由20個(gè)測試程序組成，包括CINT92(6)和CFP92(14)參照機(jī)：VAX11/780程序描述/領(lǐng)域CompressEspresoGccEqntottScxlisp自適應(yīng)壓縮函數(shù)最小化GNUC編譯器邏輯設(shè)計(jì)電子表格Lisp解釋器程序描述/領(lǐng)域AlvinnDoduceEarFppppHydro2dMdljdp2Mdljsp2Masa7OraSpiceSu2corSwm256TomcatWave5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/機(jī)器人核反應(yīng)堆模擬/物理學(xué)耳朵模擬/醫(yī)學(xué)電子積分/化學(xué)噴氣計(jì)算/天體物理運(yùn)動(dòng)方程/化學(xué)（雙）運(yùn)動(dòng)方程/化學(xué)（單）浮點(diǎn)內(nèi)核光線跟蹤/光學(xué)電路模擬/電路設(shè)計(jì)粒子質(zhì)量/量子物理水方程求解/模擬網(wǎng)格生成程序麥克斯韋方程求解11/7/202463SPEC95由18個(gè)測試程序組成，包括CINT95(8)和CFP95(10)參照機(jī)：SUNSPARC10/40SPEC2000由26個(gè)測試程序組成，包括CINT2000(12)和CFP2000(14)參照機(jī)：SUNUltra5_10300MHzAlphaStation500/500(System#1)PersonalWorkstation500au(System#2)AlphaServer41005/533(System#3)11/7/202464SPECint2000整數(shù)基準(zhǔn)測試程序集基準(zhǔn)測試程序語言駐留大小虛擬大小描述164.gzipc181(MB)200(MB)壓縮175.vprc5055.2FPGA應(yīng)用176.gccc155158C編譯器181.mcfc190192組合優(yōu)化186.craftyc2.14.2下棋游戲197.parserc3762.5字處理252.eonC++0.73.3計(jì)算機(jī)可視化253.perlbmkc146159Perl編程254.gapc193196解釋器(群論)255.vortexc7281Oob數(shù)據(jù)庫256.bzip2c185200壓縮300.twolfc1.94.1路由模擬器11/7/202465SPECfp2000浮點(diǎn)基準(zhǔn)測試程序集基準(zhǔn)測試程序語言駐留大小虛擬大小描述168.wupwiseF77176(MB)177(MB)量子染色動(dòng)力學(xué)171.swinF77191192淺水建模172.mgridF775656.7三維勢能場173.appluF77181191偏微分方程177.mesac9.524.7三維圖形庫178.galgelF9063155計(jì)算流體力學(xué)179.artc3.75.9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用183.equakec4951.1地震波傳輸模擬187.facerecF901618.5圖象處理：臉部識(shí)別188.ammpc2630計(jì)算化學(xué)189.lucasF90142143數(shù)論191.fma3dF90103105有限元模擬200.sixtrackF772659.8核物理應(yīng)用301.apsiF77191192氣象學(xué)：污染物質(zhì)分布11/7/202466HPC的性能測試LinpackLinpack包括：Linpack100、1000和HPLLinpack是用高斯消元法要求解一元N次稠密線性方程。只能采用編譯優(yōu)化選項(xiàng)，不能更改程序代碼，甚至是代碼中的注釋必須安裝支持C和Fortran77的編譯器、并行編程環(huán)境MPICH11/7/202467Pentium與80486性能比較

Pentium/6680486DX2/66推出日期：1993年3月1992年8月制造工藝：0.8umCMOS0.8umCMOS整數(shù)/浮點(diǎn)部件：2/1個(gè)2/1個(gè)片內(nèi)Cache：16K(指/數(shù)分開)8K(指/數(shù)混存)外部數(shù)據(jù)總線：64位32位Dhryston值：100MIPS54MIPSSPECint89值：7033.6SPECfp89值：7018.311/7/2024681.3.4性能評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和比較

1．算術(shù)性能平均值A(chǔ)m2．幾何性能平均值Gm3．調(diào)和性能平均值HmRi表示由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速率，Ti表示執(zhí)行第i個(gè)程序所需的時(shí)間

11/7/202469程序機(jī)器A執(zhí)行時(shí)間機(jī)器B執(zhí)行時(shí)間機(jī)器C執(zhí)行時(shí)間程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100例3已知四個(gè)程序在三臺(tái)計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間(s)如下表：

假設(shè)四個(gè)程序中每一個(gè)都有100000000條指令要執(zhí)行，計(jì)算這三臺(tái)計(jì)算機(jī)中每臺(tái)機(jī)器上每個(gè)程序的MIPS速率。根據(jù)這些速率值，你能否得出有關(guān)三臺(tái)計(jì)算機(jī)相對(duì)性能的明確結(jié)論？你能否找到一種將它們統(tǒng)計(jì)排序的方法?試說明理由。11/7/202470程序機(jī)器A的MIPS機(jī)器B的MIPS機(jī)器C的MIPS程序1100105程序20.115程序30.20.12程序410.1251由上述機(jī)器的MIPS速率，可知每臺(tái)機(jī)器對(duì)4個(gè)程序有不同的處理時(shí)間，而且大小順序不同，所以不能得出明確的結(jié)論。解：根據(jù)式可得出每臺(tái)機(jī)器每個(gè)程序的MIPS速率如下：

11/7/202471平均執(zhí)行時(shí)間機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C算術(shù)平均25.32.813.25幾何平均1.190.592.66調(diào)各平均0.250.202.1如果按照算術(shù)平均比較性能，機(jī)器A最快，機(jī)器B最慢；如果按照幾何平均比較性能，機(jī)器C最快，機(jī)器B最慢；如果按照調(diào)各平均比較性能，機(jī)器C最快，機(jī)器B最慢。下面可采用統(tǒng)計(jì)的方法比較各機(jī)器的性能：

如機(jī)器A的算術(shù)平均：11/7/2024721.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其演變軟件、器件和應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響計(jì)算機(jī)的成本和價(jià)格11/7/2024731.4.1傳統(tǒng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其演變傳統(tǒng)的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)輸出設(shè)備輸入設(shè)備控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器11/7/20247411/7/202475ENIAC-技術(shù)細(xì)節(jié)Decimal(notbinary)十進(jìn)制（沒有二進(jìn)制）20accumulatorsof10digits十位數(shù)字的累加器有20個(gè)Programmedmanuallybyswitches通過開關(guān)人工編程18,000vacuumtubes18,000個(gè)晶體管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW電力消耗5,000additionspersecond每秒可執(zhí)行5000次加法運(yùn)算11/7/202476傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式的主要缺點(diǎn)有：1.存在有兩個(gè)瓶頸：物理瓶頸和智能瓶頸；2.低級(jí)的機(jī)器語言和高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語言之間存在著巨大的語義差距；3.復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象無法直接存放到一維線性地址空間的存儲(chǔ)器中，必須經(jīng)過地址映象。

11/7/202477針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式的演變兩個(gè)瓶頸：“改良”方法“改革”方法Cache存儲(chǔ)器、并行主存技術(shù)高級(jí)流水技術(shù)語義差距：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向高級(jí)語言機(jī)器、虛擬存儲(chǔ)技術(shù)以支持高級(jí)語言編程自定義數(shù)據(jù)表示、多維存儲(chǔ)空間非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：并行處理計(jì)算機(jī)脈動(dòng)陣列計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)歸約計(jì)算機(jī)人工智能計(jì)算機(jī)11/7/2024781.4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響11/7/202479一、軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響主要是解決軟件的可移植出性（①軟件成本越來越高②軟件產(chǎn)量和可靠性的提高困難③積累了大量成熟的軟件④排錯(cuò)比編寫困難、軟件生產(chǎn)率低因而出現(xiàn)了“軟件危機(jī)”）實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性有三個(gè)主要途徑：1.統(tǒng)一高級(jí)語言2.采用系列機(jī)方法3.模擬與仿真11/7/2024802.采用系列機(jī)方法

系列機(jī)：由同一廠商生產(chǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同、組成和實(shí)現(xiàn)不同的不同檔次（速度、容量、成本和可靠性）的機(jī)器。如IBM公司的360、370系列計(jì)算機(jī)，DEC公司的PDP-ll系列機(jī)和INTEL公司的80X86系列微型計(jì)算機(jī)。1.統(tǒng)一高級(jí)語言（應(yīng)用、認(rèn)識(shí)和習(xí)慣勢力三個(gè)問題）11/7/202481系列機(jī)方法只是解決了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的計(jì)算機(jī)之間的軟件移植。系列機(jī)方法也限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

系列機(jī)方法較好地解決了硬件技術(shù)更新發(fā)展快（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求不斷更新）而軟件編寫開發(fā)周期比較長（軟件環(huán)境要求相對(duì)穩(wěn)定）之間的矛盾。兼容機(jī)：不同廠商生產(chǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同、組成和實(shí)現(xiàn)不同的不同檔次的機(jī)器。11/7/202482系列機(jī)要求：保證向后兼容力爭做到向上兼容當(dāng)前機(jī)器時(shí)間機(jī)器檔次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容11/7/2024833.模擬與仿真微程序機(jī)器級(jí)高級(jí)語言級(jí)匯編語言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)A機(jī)器系統(tǒng)模擬高級(jí)語言級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)B機(jī)器系統(tǒng)仿真宿主機(jī)虛擬機(jī)目標(biāo)機(jī)11/7/202484模擬：用一臺(tái)機(jī)器的指令系統(tǒng)，去解釋另一臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器的指令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)軟件的移植。（實(shí)現(xiàn)容易、速度較慢）仿真：直接用微程序去解釋另一臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器的指令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)軟件的移植。（微程序編寫困難、實(shí)現(xiàn)速度較快）

模擬與仿真可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器之間軟件的移植。對(duì)于使用頻率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運(yùn)算速度，而對(duì)使用頻率低且難于用仿真實(shí)現(xiàn)的指令(包括I／O指令等)則用模擬方法加以實(shí)現(xiàn)。

11/7/202485開放式系統(tǒng)(opensystem)1978年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)首先提出了關(guān)于開放式系統(tǒng)的新概念。

是指—種獨(dú)立于廠商，且遵循有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)而建立的、具有系統(tǒng)可移植性、交互操作性，從而能允許用戶自主選擇具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和多廠商產(chǎn)品渠道的系統(tǒng)集成技術(shù)的系統(tǒng)。它是相對(duì)于原來的封閉系統(tǒng)或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)而言的。USB,TCP/IPJava,CORBA,WebServices等11/7/202486二、器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響器件發(fā)展使得計(jì)算機(jī)的主頻速度、單芯片的集成度飛速提高。（如1979年推出的8088/8086，主頻約5MHz，單芯片上集成2.9萬個(gè)晶體管；1997年推出的PII主頻在300MHz左右，單芯片上集成1500萬個(gè)晶體管）器件的發(fā)展使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)“下移”速度加快。11/7/202487器件的發(fā)展使得器件原有的使用性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變（通用型→現(xiàn)場型→專用型）。器件的發(fā)展會(huì)影響到算法、語言和軟件的發(fā)展。器件的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)思想和邏輯設(shè)計(jì)方法。器件是推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，最活躍的因素，是計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的標(biāo)志之一。11/7/20248811/7/20248911/7/202490美國NSF向美國政府申請(qǐng)2009年計(jì)劃經(jīng)費(fèi)2000多萬美元，為超越摩爾定律(SEBML)部署新計(jì)劃NSF：摩爾定律將在10到20年后達(dá)到物理和概念上的極限具體方向包括：碳納米管、量子計(jì)算和并行計(jì)算以及大規(guī)模多核計(jì)算機(jī)等11/7/202491三、應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者總是根據(jù)用戶（市場）需求設(shè)計(jì)或改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)發(fā)展。在某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的確定以后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的首要任務(wù)，是確保系統(tǒng)中的每一個(gè)功能部件獲得更高的性能。11/7/202492系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展小結(jié)軟件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最重要的因素沒有軟件，機(jī)器就不能運(yùn)行，所以為了能方便地使用現(xiàn)有軟件，就必須考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件最重要應(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)力機(jī)器是給人用的，我們追求更快更好，機(jī)器就要做得更快更好需求最根本器件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展最活躍的因素沒有器件就產(chǎn)生不出電腦，器件的每一次升級(jí)就帶來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)器件最活躍11/7/2024931.4.3計(jì)算機(jī)的成本和價(jià)格成本敏感設(shè)計(jì)(Cost-sensitivedesigns)：--非設(shè)計(jì)時(shí)的元器件成本，而是產(chǎn)品交付市場時(shí)的規(guī)劃成本。--封裝成本。隨著時(shí)間的推移，設(shè)計(jì)時(shí)安排在一個(gè)印制板上的所有器件，生產(chǎn)時(shí)可能只用一個(gè)單芯片集成。11/7/202494平均折扣毛利潤直接成本元器件成本計(jì)算機(jī)產(chǎn)品價(jià)格的構(gòu)成25-40%35-40%6-8%20-30%制造成本：工人工資、元器件采購、器件損耗、維護(hù)保修等間接成本：研制費(fèi)、銷售費(fèi)、廣告宣傳費(fèi)、廠房租金、設(shè)備使用、管理費(fèi)等利潤（批零差價(jià)）：生產(chǎn)廠家利潤、中間商利潤、零售商利潤等目錄價(jià)格11/7/202495部分習(xí)題解答1．2如有一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4級(jí)。每一級(jí)為了執(zhí)行一條