計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件：第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (Computer Architecture),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)李學(xué)干 西安電子科技大學(xué)出版社 2011年 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 方娟 清華大學(xué)出版社 2011年 Advanced Computer Architecture Kai Hwang 清華大學(xué)出版社 1995年,參考教材,第一章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí) 第二章：指令系統(tǒng) 第三章：存儲(chǔ)系統(tǒng) 第四章：流水線技術(shù) 第五章：并行處理機(jī)與多處理機(jī),內(nèi)容,一、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng),發(fā)展經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代,從所用的器件而言 :,從結(jié)構(gòu)的發(fā)展而言 :,單個(gè)CPU組成的單機(jī)系統(tǒng),流水線機(jī),大規(guī)模的并行處理機(jī),多處理機(jī),電子管、繼電器存儲(chǔ),晶體管、磁介

2、質(zhì)存儲(chǔ),集成電路、多層印刷電路,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,VLSI、高密度、高速度處理機(jī)、存儲(chǔ)器芯片,從技術(shù)的發(fā)展上而言 :,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),從語言及應(yīng)用方面而言:,由匯編到高級(jí)語言，從單用戶到多用戶，到并行處理的語言、編譯、操作系統(tǒng)，直到如今計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)系統(tǒng)處理等等。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,五代：,第一代：19451954年，電子管和繼電器； 第二代：19551964年，晶體管和磁芯存儲(chǔ)器； 第三代：19651974年，中小規(guī)模集成電路； 第四代：19751990年，LSI/V

3、LSI和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器； 第五代：1991年至今，ULSI/GSI（Giga-Scale Integration）超大規(guī)模集成電路。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,1、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的構(gòu)成,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的基本模式,程序設(shè)計(jì),應(yīng)用軟件,硬件結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng),計(jì)算問題,算法與數(shù)據(jù) 結(jié) 構(gòu),高級(jí)語言,性能評(píng)價(jià),連 接 ( 編 譯，加 載 ),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,2、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),虛擬機(jī),硬件,固件,0級(jí),1級(jí),2級(jí),3級(jí),4級(jí),5級(jí),6級(jí),應(yīng) 用 語 言 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),微程序機(jī)器級(jí),電 子 線 路,應(yīng)

4、用軟件,系統(tǒng)軟件,翻譯(編譯程序),翻譯(匯編程序),軟硬件界面,物理機(jī),解釋,翻譯(應(yīng)用程序包),圖中0級(jí)2級(jí)為物理機(jī),36級(jí)為虛擬機(jī),5級(jí)是高級(jí)語言的運(yùn)行程序,4級(jí)是匯編語言的運(yùn)行程序,3級(jí)是操作系統(tǒng)中對(duì)各種資源的管理與控制程序,6級(jí)是應(yīng)用語言級(jí),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,1、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：從程序設(shè)計(jì)者的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：指機(jī)器語言程序的設(shè)計(jì)者或是編譯程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),應(yīng)用級(jí)的程序設(shè)計(jì)者與傳統(tǒng)機(jī)的程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)性

5、能的區(qū)別：,應(yīng)用語言編程機(jī)器的功能是能夠識(shí)別和執(zhí)行應(yīng)用語言,匯編語言編程硬件設(shè)備所體現(xiàn)的具體功能,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,一種本來存在，有差異的事物和屬性，從某種角度上看又好像不存在的現(xiàn)象，被稱為是“透明性”,例如，高級(jí)程序員看不到各種不同類型機(jī)器的差異性，就是一個(gè)明顯的例證。,透明性,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn),三者區(qū)別：,1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) -機(jī)器語言級(jí)的程序員所了解的計(jì)算機(jī)的屬性，即外特性 。,2.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)。,3.計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn) -指其計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,數(shù)據(jù)表示 寄存器定義

6、 指令系統(tǒng) 中斷系統(tǒng) 存儲(chǔ)系統(tǒng) 輸入輸出結(jié)構(gòu) 機(jī)器工作狀態(tài) 信息保護(hù),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,計(jì)算機(jī)組成,數(shù)據(jù)通路的寬度 專用部件的設(shè)置 各功能部件 控制機(jī)構(gòu)的組成方式 緩沖技術(shù) 可靠性技術(shù)的采用和方式的選擇,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)是三個(gè)完全不同的概念，相互間有著十分密切的依賴關(guān)系和相互的影響。,例1、指令系統(tǒng) 例2、乘法指令 例3、主存系統(tǒng),計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 邏輯設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,計(jì)算機(jī)按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類通常有三種方法：,(一) 弗林(FLYNN)分類法 (1966年Michael

7、J.Flynn),指令流(Instruction Stream) ：指令的傳送序列。,數(shù)據(jù)流(Data Stream)：數(shù)據(jù)傳送 、加工的序列。,多倍性(Multiplicity)：在系統(tǒng)性能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)。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,單指令流、單數(shù)據(jù)流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 結(jié)構(gòu),如PDP-11、IBM-360/370、PC 8086、Z-80等微處理機(jī),IS CS DS,控制部件,處理部件,主存,指令流,數(shù)據(jù)流,控制流,傳統(tǒng)的順序處理計(jì)算機(jī),單指令流、單數(shù)據(jù)流

8、( SISD )結(jié)構(gòu),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,單指令流、多數(shù)據(jù)流( SIMD-Single Instruction stream Multiple Data stream )結(jié)構(gòu),如ILLIAC (64個(gè)單元),陣列處理機(jī)、并行處理機(jī),單指令流、多數(shù)據(jù)流(SIMD )結(jié)構(gòu),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,多指令流、單數(shù)據(jù)流( MISD )結(jié)構(gòu),如RISC機(jī)、向量機(jī),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,多指令流、多數(shù)據(jù)流( MIMD )結(jié)構(gòu),IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均屬這一類型,多處理機(jī)系統(tǒng),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,(二)馮氏分

9、類法（1972年，美籍華人馮澤云教授提出）,最大并行度： 是指計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù) 。,(1) 字串位串， WSBS， n=1,m=1 (2) 字串位并， WSBP ，n1,m=1字片處理 (3) 字并位串， WPBS， n=1,m1位片處理 (4) 字并位并， WPBP ，n1,m1,n: 一個(gè)字中同時(shí)處理二進(jìn)制的位數(shù)； m: 一個(gè)位片或功能部件中能同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,(三) Wolfgan Handler(漢德勒)法 （1977年德國）,從硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的并行級(jí)和流水線的程度分類。,程序控制部件的個(gè)數(shù) 。,算術(shù)邏輯運(yùn)算部件或處理部件的個(gè)數(shù)

10、 。,基本邏輯線路的套數(shù)。,t(Cray-1)=(1，128，64) t(ILLIAC-)=(1，64，64),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,(一) 加速那些使用頻率高的部件提高整個(gè)計(jì)算機(jī)性能,(二) Amdahl定律,（三）程序訪問局部性原理,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種改進(jìn)的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)的性能提高了，其衡量指標(biāo)為加速比。,如果系統(tǒng)性能用執(zhí)行某任務(wù)的時(shí)間來表示：,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,Amdahl定律可表示為：,Sp：加速比； Te：采用改進(jìn)措施前執(zhí)行某任務(wù)系統(tǒng)所用的時(shí)間；

11、 T0：采用改進(jìn)措施后所需的時(shí)間； fe： 可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例，總是小于1； re: 性能提高的倍數(shù)（T部件改進(jìn)前/ T部件改進(jìn)后），總是大于1。,例1：運(yùn)行60s的程序中，有20s的運(yùn)算可加速，則：fe=20/60=33.3%,例2：系統(tǒng)改進(jìn)后執(zhí)行程序，可改進(jìn)部分花費(fèi)時(shí)間為2s，改進(jìn)前改進(jìn)部分花費(fèi)時(shí)間為5s,則：re=5/2=2.5,Sp = Te / T0,T0= Te(1 fe + fe /re),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,改進(jìn)前可改進(jìn)部分占用的時(shí)間 fe = 1 改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間,改進(jìn)前可改進(jìn)部分占用的時(shí)間 re = 1 改進(jìn)后改進(jìn)部分的時(shí)間,第一章

12、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,fe 改進(jìn)后改進(jìn)部分的時(shí)間 = re 改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間,不可改進(jìn)時(shí)間 1 - fe = 改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,分析上式可以看出 :,當(dāng)fe很小甚至0時(shí)，則Sp1,當(dāng)re很大甚至?xí)r，則,則:,1 Sp = Te / T0 = （1 - fe）+ fe / re,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,例1：計(jì)算機(jī)執(zhí)行某測(cè)試程序，其中含有大量浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理操作，為提高性能可以采用兩種方案： 一是采用硬件實(shí)現(xiàn)求浮點(diǎn)數(shù)平方根(FPSQR)的操作，可以使該操作的速度提高10倍； 另一種方案是提高所有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)操作(FP)的速度，使其加快2倍。

13、同時(shí)已知FPSQR操作時(shí)間占整個(gè)測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的20%，而FP操作占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的50%。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,現(xiàn)比較兩種方案，按兩種情況求出其加速比：,改善浮點(diǎn)數(shù)據(jù)操作的方案更好一些,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,例2：若考慮將系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理使用時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？,由題可知：fe=0.4，re=10，則可得：Sp=1.56,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,若以Sp作縱坐標(biāo)， fe作橫坐標(biāo)，則對(duì)不同的re，可畫出Sp=f(fe)的函數(shù)。,0.0 0.5 1.0 fe,加

14、速比Sp與可增強(qiáng)性能部分fe的關(guān)系,由圖中曲線可知，為使系統(tǒng)能獲得較高性能加速比，則功能性能可增強(qiáng)部分必須占有較大的比例；否則，增強(qiáng)該功能就沒有多大意義。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,程序訪問局部性原理:,時(shí)間局部性 ： 近期被訪問的代碼，很可能不久又將再次被訪問。,空間局部性 ： 是指地址上相鄰近的代碼可能會(huì)被連續(xù)的訪問。,程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過的數(shù)據(jù)和指令。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能要求、性能要求、成本要求,軟、硬件功能分配的基本原則：,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法：,基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)，有以下三種設(shè)計(jì)方法：,自下而上的方法基本

15、不用 自上而下的方法適合專用機(jī) 由中間開始的方法,最好,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟,設(shè)計(jì)步驟可以分為：,需求分析 需求說明 概念性設(shè)計(jì) 具體設(shè)計(jì) 優(yōu)化和評(píng)價(jià),最終目的：獲得盡可能高的性能價(jià)格比。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,四、計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),計(jì)算機(jī)的性能以及對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的目標(biāo)都指系統(tǒng)速度的性能。,計(jì)算機(jī)的速度性能：通常是用響應(yīng)時(shí)間來衡量。,響應(yīng)時(shí)間：是指用戶的一個(gè)任務(wù)從送入計(jì)算機(jī)處理到得到結(jié)果所需的時(shí)間 。,包含的內(nèi)容：如處理速度、存儲(chǔ)容量，I/O設(shè)備的能力，使用的方便性，系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性，容錯(cuò)能力，給予系統(tǒng)軟件的支持功能、體積等等。,響應(yīng)時(shí)間包括：訪問

16、磁盤，訪問主存儲(chǔ)器，輸入/輸出的傳輸，CPU運(yùn)算時(shí)間及操作系統(tǒng)各種系統(tǒng)軟件工作所需的時(shí)間，通?？捎卸喾N參數(shù)來表示系統(tǒng)性能。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,1、CPU性能,CPU性能：CPU執(zhí)行用戶程序所用的時(shí)間。,Tcpu=INCPI Tc,CPU執(zhí)行某一程序中所包含的指令總數(shù),時(shí)鐘 周期,執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù),第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,(CPIiIi),=（CPIi ）,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,例1：某臺(tái)計(jì)算機(jī)只有Load/Store指令能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作其它指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知每種指令所占的比例及CPU時(shí)鐘周期數(shù)如下:

17、求：上述情況的平均CPI。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,CPI=10.43+20.21+20.12+20.24 =0.43+0.42+0.24+0.48=1.57,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,例2：如果FP操作比例為25%，F(xiàn)P的平均CPIFP原=4，其他指令的平均CPI其它為1.33。FPSQR操作比例為2%，而FPSQR的CPISQR原=20。 改進(jìn)的方案有二： 一是提高FP操作的速度，使其增加一倍，即CPIFP改=2； 二是提高FPSQR的速度10倍，即CPISQR改=2；試比較兩個(gè)方案，求解；其中設(shè)定IN與TC都是不變的，在此基礎(chǔ)上求出改進(jìn)前后所具有的CPI值，進(jìn)行比較。

18、CPI（原）= =（40.25）+(1.330.75)=2 采取以下兩種方案進(jìn)行改進(jìn):,（CPIi ）,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,方案1： 改進(jìn)所有浮點(diǎn)操作指令使FP的平均CPI值提高一倍，即: CPIFP改=2 整個(gè)程序在改進(jìn)后的值為： CPI (改)=(20.25)+(1.330.75)=1.5,=CPI(原)-0.25(CPIFP原-CPIFP改) =2.0-0.25(4-2)=1.5,或,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,方案2：只改進(jìn)FPSQR指令，使其CPI值提高10倍， 即CPISQR改=2 整個(gè)程序改進(jìn)后的值應(yīng)為： CPI(改)=CPI(原)-0.02(CPI SQR原

19、-CPI SQR改) =2-0.02(20-2)=1.64,兩者比較還是方案1更好些,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,2、MIPS和MFLOPS,IPS:含義是每秒執(zhí)行的指令條數(shù) 。 MIPS:以百萬來計(jì)量。 MFLOPS:指每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)。,Te,IFN,Rc,IN,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,3、系統(tǒng)性能測(cè)試,采用實(shí)際應(yīng)用程序C語言的編譯程序等； 采用核心程序 從實(shí)際程序中抽取小量關(guān)鍵的循環(huán)程序； 綜合測(cè)試程序 Whetstone、Dhrystone等程序；,基本測(cè)試程序： （采用不同類型的程序進(jìn)行測(cè)試）,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,性能評(píng)價(jià)結(jié)果的處理,三機(jī)運(yùn)行2個(gè)程序的測(cè)試值及Am值