第1章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

1、n第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n1.1 引言引言 n1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 n1.5 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 n1.6 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n1.1 引言引言 n第一臺通用電子計算機誕生于第一臺通用電子計算機誕生于19461946年年 n計算機技術(shù)的飛速發(fā)展受益于兩個方面計算機技術(shù)的飛速發(fā)展受益于兩個方面 n 計算

2、機制造技術(shù)的發(fā)展計算機制造技術(shù)的發(fā)展 n 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新 n經(jīng)歷了四個發(fā)展過程經(jīng)歷了四個發(fā)展過程 1.1 引言引言 時 間原 因每年的性能增長 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% 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17年 2003年以來 大功耗問題； 可以進(jìn)一步有效地開發(fā)的指令 級并行性已經(jīng)很少； 存儲器訪問速度的提高緩慢。 約20% 1.1 引言引言 n體系結(jié)構(gòu)與組織方式的

3、發(fā)展一起促成了計算機體系結(jié)構(gòu)與組織方式的發(fā)展一起促成了計算機 性能以超過性能以超過50%的年增長率持續(xù)增長的年增長率持續(xù)增長17年（年（ 19862003），這一飛速發(fā)展共有四重效果：），這一飛速發(fā)展共有四重效果： n顯著增強了可供計算機用戶使用的功能顯著增強了可供計算機用戶使用的功能 n性價比的大幅度提高導(dǎo)致了新型計算機的出現(xiàn)。性價比的大幅度提高導(dǎo)致了新型計算機的出現(xiàn)。 n根據(jù)摩爾定律的預(yù)測，半導(dǎo)體制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展已根據(jù)摩爾定律的預(yù)測，半導(dǎo)體制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展已 經(jīng)使基于微處理器的計算機在整個計算機設(shè)計領(lǐng)域經(jīng)使基于微處理器的計算機在整個計算機設(shè)計領(lǐng)域 中占據(jù)了主導(dǎo)地位。中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 n對

4、軟件開發(fā)的影響，允許今天的程序員以性能換取對軟件開發(fā)的影響，允許今天的程序員以性能換取 生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率。 1.1 引言引言 n從從2003年開始，由于風(fēng)冷芯片最大功耗和無法有效地年開始，由于風(fēng)冷芯片最大功耗和無法有效地 開發(fā)更多指令級并行這兩大孿生瓶頸，單處理器的性開發(fā)更多指令級并行這兩大孿生瓶頸，單處理器的性 能提高速度下降到每年不足能提高速度下降到每年不足22%。事實上，。事實上，Intel在在 2004年取消了自己的高性能單核處理器項目，轉(zhuǎn)而和年取消了自己的高性能單核處理器項目，轉(zhuǎn)而和 其他公司一起宣布：為了獲得更高性能的處理器，應(yīng)其他公司一起宣布：為了獲得更高性能的處理器，應(yīng) 當(dāng)提

5、高一個芯片上集成的核心數(shù)目，而不是加快單核當(dāng)提高一個芯片上集成的核心數(shù)目，而不是加快單核 處理器的速度。處理器的速度。 n這是一個標(biāo)著歷史性轉(zhuǎn)折的里程碑信號，處理器性能這是一個標(biāo)著歷史性轉(zhuǎn)折的里程碑信號，處理器性能 的提高從單純依賴指令級并行轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)級并行和線程的提高從單純依賴指令級并行轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)級并行和線程 級并行甚至請求級并行。級并行甚至請求級并行。 n結(jié)論：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計算機的發(fā)展中有著極其重結(jié)論：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計算機的發(fā)展中有著極其重 要的作用。要的作用。 1.1 引言引言 n計算機的分類：計算機的分類： 特征 個人移動 設(shè)備 臺式機服務(wù)器 機群/倉庫級 計算機 嵌入式 系統(tǒng) 價格

6、 $100 $1000 $300$2500 $5000 $10 000 000 $100 000 $200 000 000 $10 $100 000 微處理 器價格 $10$100$50500$200$2000$50$250$0.01$100 關(guān)鍵的 系統(tǒng)設(shè) 計問題 成本； 能耗； 媒體性能 響應(yīng)率。 性價比； 能耗； 圖形性能。 吞吐量； 可用性； 可擴展性； 能耗。 性價比； 吞吐量； 能耗均衡性。 價格； 能耗； 應(yīng)用的特有 性能。 第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 本節(jié)導(dǎo)引：本節(jié)導(dǎo)引： n計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機

7、系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) n計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 n計算機組成和計算機實現(xiàn)計算機組成和計算機實現(xiàn) n計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n1.2.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) n計算機系統(tǒng)硬件計算機系統(tǒng)硬件/固件軟件固件軟件 n計算機語言從低級向高級發(fā)展計算機語言從低級向高級發(fā)展 高一級語言的語句相對于低一級語言來說功能更高一級語言的語句相對于低一級語言來說功能更 強，更便于應(yīng)用，但又都以低級語言為基礎(chǔ)。強，更便于應(yīng)用，但又都以低級語言為基礎(chǔ)。 n從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)按功能從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)

8、按功能 劃分成劃分成多級層次結(jié)構(gòu)多級層次結(jié)構(gòu)。 n 每一層以一種語言為特征每一層以一種語言為特征 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 第第 6 級級：應(yīng)應(yīng)用用語語言言機機器器 第第 5 級級：高高級級語語言言機機器器 第第 4 級級：匯匯編編語語言言機機器器 第第 3 3 級級：操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)機機器器 第第 2 2 級級：傳傳統(tǒng)統(tǒng)機機器器語語言言機機器器 第第 1 1 級級：微微程程序序機機器器 虛虛 擬擬 機機 物物 理理 機機 應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯 成高級語言程序 高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成 匯編語言（或是某種中間語言程 序，或是機器語言程序） 匯編語言程序經(jīng)

9、匯編程序翻譯成 機器語言程序 一般用機器語言程序解釋作業(yè)控 制語句等 用微指令程序解釋機器指令 微指令由硬件直接執(zhí)行 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n物理機物理機: 用硬件用硬件/固件實現(xiàn)的機器固件實現(xiàn)的機器 n固件固件：具有軟件功能的硬件。：具有軟件功能的硬件。 n虛擬機虛擬機：由軟件實現(xiàn)的機器：由軟件實現(xiàn)的機器 n各機器級的實現(xiàn)主要靠翻譯或解釋，或兩者的結(jié)合。各機器級的實現(xiàn)主要靠翻譯或解釋，或兩者的結(jié)合。 n翻譯：翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級 機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現(xiàn)機器上等

10、效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現(xiàn) 程序的功能。程序的功能。 n解釋：解釋：對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令， 都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后， 再去高一級機器取下一條語句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行， 如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個程序。如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個程序。 解釋執(zhí)行比編譯后再執(zhí)行所花的時間多，但占用的存儲空間較少。解釋執(zhí)行比編譯后再執(zhí)行所花的時間多，但占用的存儲空間較少。 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算

11、機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n1.2.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 n計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典定義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典定義 傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功 能特性。能特性。（19641964年年 AmdahlAmdahl在介紹在介紹IBM360IBM360系統(tǒng)時提出的）系統(tǒng)時提出的） n按照計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，不同級程序員所看到的計算按照計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，不同級程序員所看到的計算 機具有不同的屬性。機具有不同的屬性。 n透明性透明性 n在計算機技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種在計算機技術(shù)中，把這

12、種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種 角度看又好像不存在的概念稱為透明性。角度看又好像不存在的概念稱為透明性。 n計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實質(zhì)：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實質(zhì)： 確定計算機系統(tǒng)中軟硬件的界面，界面之上是軟件實現(xiàn)的確定計算機系統(tǒng)中軟硬件的界面，界面之上是軟件實現(xiàn)的 功能，界面之下是硬件和固件實現(xiàn)的功能。功能，界面之下是硬件和固件實現(xiàn)的功能。 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n1.2.3 計算機組成和計算機實現(xiàn)計算機組成和計算機實現(xiàn) n計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)的軟、硬件的界面計算機系統(tǒng)的軟、硬件的界面 即機器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機器級所具有的屬性。即機器語言程序

13、員所看到的傳統(tǒng)機器級所具有的屬性。 n計算機組成：計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn) n包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè) 計等。計等。 n著眼于：著眼于：物理機器級內(nèi)各事件的排序方式與控制方式、物理機器級內(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。各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。 第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n計算機實現(xiàn)：計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)計算機組成的物理實現(xiàn) n包括處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集包括處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集

14、 成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接， 信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術(shù)等。信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術(shù)等。 n著眼于：著眼于：器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。 具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機可以采用不同的計算機組成。具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機可以采用不同的計算機組成。 同一種計算機組成又可以采用多種不同的計算機實現(xiàn)。同一種計算機組成又可以采用多種不同的計算機實現(xiàn)。 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n1.2.4 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 常見的計算機系統(tǒng)分類法：常見的計算機系統(tǒng)

15、分類法： FlynnFlynn分類法、馮氏分類法分類法、馮氏分類法 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 nFlynn分類法分類法 n按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。 n指令流指令流：計算機執(zhí)行的指令序列：計算機執(zhí)行的指令序列 n數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和 中間結(jié)果。中間結(jié)果。 n多倍性多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的：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)的最大可能個數(shù)。指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。 n據(jù)此把計算機系統(tǒng)分為據(jù)此把計算機系統(tǒng)分為4類：

16、類： n單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流SISD n單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD n多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流MISD n多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n單指令流單數(shù)據(jù)流（單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD） n傳統(tǒng)的單處理器計算機。每次指令部件對一條傳統(tǒng)的單處理器計算機。每次指令部件對一條 指令進(jìn)行譯碼并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。指令進(jìn)行譯碼并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。 CU-控制部件；PU處理機；MM主存模塊； SM共享主存；IS指令流；CS控制流；DS數(shù)據(jù)流 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念

17、n單指令流多數(shù)據(jù)流（單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD） n陣列處理機和相聯(lián)處理機。陣列處理機和相聯(lián)處理機。 CU-控制部件；PU處理機；MM主存模塊； SM共享主存；IS指令流；CS控制流；DS數(shù)據(jù)流 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n多指令流單數(shù)據(jù)流（多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD） n處理機間的宏流水及脈動陣列流水處理機。按不同指處理機間的宏流水及脈動陣列流水處理機。按不同指 令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理 ，一個處理單元的輸出作為另一個處理單元的輸入。，一個處理單元的輸出作為另一個處理單元的輸入。 CU-控制部件；

18、 PU處理機； MM主存模塊； SM共享主存； IS指令流； CS控制流； DS數(shù)據(jù)流 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流 n能實現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令、數(shù)組各級全面并行能實現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令、數(shù)組各級全面并行 的多機系統(tǒng)。的多機系統(tǒng)。 CU-控制部件； PU處理機； MM主存模塊； SM共享主存； IS指令流； CS控制流； DS數(shù)據(jù)流 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念 n馮氏分類法馮氏分類法 按數(shù)據(jù)處理的并行度進(jìn)行分類。按數(shù)據(jù)處理的并行度進(jìn)行分類。 n1、字串位串（、字串位串（WSBS） n位串處理方式，每次只處理一個字

19、中的一位，早期的位串位串處理方式，每次只處理一個字中的一位，早期的位串 行計算機。行計算機。 n2、字串位并（、字串位并（WSBP） n字（字片）處理方式，每次處理一個字中的字（字片）處理方式，每次處理一個字中的n位，位并行位，位并行 單處理機。單處理機。 n3、字并位串（、字并位串（WPBS） n位（位片）處理方式，每次處理位（位片）處理方式，每次處理m個字中的一位，相聯(lián)處個字中的一位，相聯(lián)處 理機，陣列處理機。理機，陣列處理機。 n4、字并位并（、字并位并（WPBP） n全并行處理方式，一次處理全并行處理方式，一次處理m個字，其每個字為個字，其每個字為n位，相聯(lián)位，相聯(lián) 處理機，陣列處理機

20、，多處理機。處理機，陣列處理機，多處理機。 第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 本節(jié)導(dǎo)引：本節(jié)導(dǎo)引： n計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理 n計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù) n計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n1.3.1 計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理 4個定量原理：個定量原理： n以經(jīng)常性事件為重點以經(jīng)常性事件為重點 nAmdahlAmdahl定律定律 nCPUCPU性能公式性能公式 n程序的局部性原理程序的局部性原理 1

21、.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 1.以經(jīng)常性事件為重點以經(jīng)常性事件為重點 n對經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則進(jìn)對經(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)。行選擇，以得到更多的總體上的改進(jìn)。 n優(yōu)化優(yōu)化是指分配更多的資源、達(dá)到更高的性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。能或者分配更多的電能等。 如，處理器的取值指令和譯碼器比乘法器用如，處理器的取值指令和譯碼器比乘法器用 得更頻繁，所以應(yīng)該先對取值指令和譯碼得更頻繁，所以應(yīng)該先對取值指令和譯碼 器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 2.Amdahl定

22、律定律 n該定律是該定律是1967年年IBM公司的公司的Amdahl在設(shè)計在設(shè)計 IBM360系列機時首先提出的。該定律可用系列機時首先提出的。該定律可用 于確定對系統(tǒng)中性能瓶頸部件采取措施提于確定對系統(tǒng)中性能瓶頸部件采取措施提 高速度后能得到的系統(tǒng)性能改進(jìn)的程度。高速度后能得到的系統(tǒng)性能改進(jìn)的程度。 n加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加快某部件執(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)行時間占系統(tǒng)加速比，受限于該部件的執(zhí)行時間占系統(tǒng) 中總執(zhí)行時間的百分比。中總執(zhí)行時間的百分比。 n系統(tǒng)性能加速比：系統(tǒng)性能加速比： 改進(jìn)后 改進(jìn)前 改進(jìn)前 改進(jìn)后 總執(zhí)行時間 總執(zhí)行時間 系統(tǒng)性能

23、 系統(tǒng)性能 加速比 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 加速比依賴于兩個因素加速比依賴于兩個因素 n可改進(jìn)比例：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)行時在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時 間在總的執(zhí)行時間中所占的比例。間在總的執(zhí)行時間中所占的比例。 它總是小于等于它總是小于等于1 1。 例如：例如：一個需運行一個需運行6060秒的程序中有秒的程序中有2020秒的運算可以加速，秒的運算可以加速， 那么這個比例就是那么這個比例就是20/6020/60。 n部件加速比：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)行時間與改進(jìn)后

24、執(zhí)行時間的比。是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時間與改進(jìn)后執(zhí)行時間的比。 一般情況下部件加速比是大于一般情況下部件加速比是大于1 1的。的。 例如：例如：若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間是若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間是2 2秒，秒， 而改進(jìn)前其執(zhí)行時間為而改進(jìn)前其執(zhí)行時間為5 5秒，則部件加速比為秒，則部件加速比為5/25/2。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時間：改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時間： 間不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時總執(zhí)行時間 改進(jìn)后 行時間可改進(jìn)部分改進(jìn)后的執(zhí) 改進(jìn)前改進(jìn)后 總執(zhí)行時間可改進(jìn)比例總執(zhí)行時間)1 ( 部件加速比 總執(zhí)行時間可改進(jìn)比例 改進(jìn)前 改進(jìn)前 總執(zhí)行

25、時間 部件加速比 可改進(jìn)比例 可改進(jìn)比例)1( 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比 改進(jìn)后 改進(jìn)前 總執(zhí)行時間 總執(zhí)行時間 系統(tǒng)加速比 部件加速比 可改進(jìn)比例 可改進(jìn)比例 )1 ( 1 Se Fe Fe Amdahl )1 ( 1 Sn定律的符號表示： 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n在多個部件可改進(jìn)的情況下，在多個部件可改進(jìn)的情況下， Amdahl定理的定理的 擴展：擴展： i i i n S F F S )1 ( 1 其中：其中：Sn為系統(tǒng)加速比，為系統(tǒng)加速比，F(xiàn)i為第為第i個部件的可改進(jìn)比例，個部件的可改進(jìn)比例，Si 為第為第i個部件的部件加速比

26、。個部件的部件加速比。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 例例1.1 1.1 將計算機系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快將計算機系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快1515倍，但倍，但 該功能的處理時間僅占整個系統(tǒng)運行時間的該功能的處理時間僅占整個系統(tǒng)運行時間的40%40%，則采用此增強，則采用此增強 功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？ 解解 由題可知：可改進(jìn)比例由題可知：可改進(jìn)比例FeFe= 40% = 0.4 = 40% = 0.4 部件加速比部件加速比Se = 15Se = 15 根據(jù)根據(jù)AmdahlAmdahl定律可知：定律可知： 采用此增強功能

27、方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高到原采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高到原 來的來的1.61.6倍倍。 6 . 1 15 4 . 0 )4 . 01 ( 1 Sn 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 例例1.2 1.2 某計算機系統(tǒng)采用浮點運算部件后，使浮點運算速某計算機系統(tǒng)采用浮點運算部件后，使浮點運算速 度提高到原來的度提高到原來的2525倍，而系統(tǒng)運行某一程序的整體性能提高到倍，而系統(tǒng)運行某一程序的整體性能提高到 原來的原來的4 4倍，試計算該程序中浮點操作所占的比例。倍，試計算該程序中浮點操作所占的比例。 解解 由題可知：由題可知： 部件加速比部件加速比Se= 25 Se

28、= 25 系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比Sn = 4Sn = 4 根據(jù)根據(jù)AmdahlAmdahl定律可知：定律可知： 由此可得：可改進(jìn)比例由此可得：可改進(jìn)比例 = 78.1% = 78.1% 即程序中浮點操作所占的比例為即程序中浮點操作所占的比例為78.1%78.1%。 25 1 1 4 Fe Fe 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 例例1.3 1.3 計算機系統(tǒng)中有三個部件可以改進(jìn)，這三個部件的部件加計算機系統(tǒng)中有三個部件可以改進(jìn)，這三個部件的部件加 速比為：速比為： 部件加速比部件加速比1=301=30； 部件加速比部件加速比2=202=20； 部件加速比部件加速比3=103=10 如果部

29、件如果部件1 1和部件和部件2 2的可改進(jìn)比例均為的可改進(jìn)比例均為30%30%，那么當(dāng)部件，那么當(dāng)部件3 3的可改的可改 進(jìn)比例為多少時，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到進(jìn)比例為多少時，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到1010？ 解：（解：（1）在多個部件可改進(jìn)情況下，）在多個部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴展：定理的擴展： i i i n S F F S )1 ( 1 已知已知S130，S220，S310，Sn10，F(xiàn)10.3，F(xiàn)20.3，得：，得： ）（）（10/20/0.330/0.30.30.3-1 1 10 33 FF 得得F30.36，即部件，即部件3的可改進(jìn)比例為的可改進(jìn)比例為36%。 1.3 計

30、算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 nAmdahlAmdahl定律定律：一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則 n如果僅僅對計算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，如果僅僅對計算任務(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則改進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越 有限。有限。 n以例以例1.1來說，如果部件加速比由來說，如果部件加速比由15增大到增大到100， 則在可改進(jìn)比例仍為則在可改進(jìn)比例仍為0.4的條件下，系統(tǒng)加速比的條件下，系統(tǒng)加速比 只約為只約為1.66。 nAmdahl定律告訴我們，改進(jìn)效果好的高性能系定律告訴我們，改進(jìn)效果好的高性能系 統(tǒng)應(yīng)是一個各部分性能均能平衡

31、地得到提高的統(tǒng)應(yīng)是一個各部分性能均能平衡地得到提高的 系統(tǒng)，不能只是其中某一個功能部件的性能得系統(tǒng)，不能只是其中某一個功能部件的性能得 到提高。到提高。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 3.CPU性能公式性能公式 n執(zhí)行一個程序所需的執(zhí)行一個程序所需的CPUCPU時間時間 CPUCPU時間時間 = 執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)時鐘周期時間時鐘周期時間 其中：時鐘周期時間是系統(tǒng)時鐘頻率的倒數(shù)。其中：時鐘周期時間是系統(tǒng)時鐘頻率的倒數(shù)。 n每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數(shù)每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數(shù)CPICPI （Cycles Per InstructionCycles P

32、er Instruction） CPICPI = 執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)ICIC IC IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)：所執(zhí)行的指令條數(shù) n程序執(zhí)行的程序執(zhí)行的CPUCPU時間可以寫成時間可以寫成 CPUCPU時間時間 = IC IC CPICPI 時鐘周期時間時鐘周期時間 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 nCPUCPU的性能取決于三個參數(shù)的性能取決于三個參數(shù) n時鐘周期時間：時鐘周期時間：取決于硬件實現(xiàn)技術(shù)和計算機組成；取決于硬件實現(xiàn)技術(shù)和計算機組成； nCPICPI：取決于計算機組成和指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；取決于計算機組成和指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； nICIC：取決于指令系統(tǒng)

33、的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。取決于指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。 n對對CPUCPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化 假設(shè)：計算機系統(tǒng)有假設(shè)：計算機系統(tǒng)有n n種指令；種指令； CPICPIi i ：第第i i種指令的處理時間；種指令的處理時間； ICICi i ：在程序中第在程序中第i i種指令出現(xiàn)的次數(shù)；種指令出現(xiàn)的次數(shù)； 則：則： CPUCPU時鐘周期數(shù)時鐘周期數(shù) = = (CPI (CPIi i Ic Ici i) ) n n i=1i=1 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 CPUCPU時間時間 = 執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)時鐘周期時間時鐘周期時間 = （

34、CPICPIi iICICi i）時鐘周期時間時鐘周期時間 CPICPI可以表示為：可以表示為： CPI CPI = = = 其中：其中：(IC(ICi i/IC/IC) )反映了第反映了第i i種指令在程序中所占的比例。種指令在程序中所占的比例。 i=1 n 時鐘周期數(shù) IC （CPIiICi） i=1 n IC （CPIi ） i=1 n ICi IC 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 例例1.4 假設(shè)浮點數(shù)指令假設(shè)浮點數(shù)指令FP的比例為的比例為25%，其中，浮點數(shù)平方根，其中，浮點數(shù)平方根 指令指令FPSQR占全部指令的比例為占全部指令的比例為2%，F(xiàn)P操作的操作的CPI為為4，

35、 FPSQR操作的操作的CPI為為20 ，其他指令的平均，其他指令的平均CPI為為1.33?，F(xiàn)有兩種?，F(xiàn)有兩種 改進(jìn)方案，第一種是把改進(jìn)方案，第一種是把FPSQR操作的操作的CPI減至減至2，第二種是把所，第二種是把所 有的有的FP操作的操作的CPI減至減至2，試比較兩種方案對系統(tǒng)性能的提高程，試比較兩種方案對系統(tǒng)性能的提高程 度。度。 解解 沒有改進(jìn)之前，每條指令的平均時鐘周期沒有改進(jìn)之前，每條指令的平均時鐘周期CPI為：為： 2%7533. 1%254 1 n i i i IC IC CPICPI 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 （1）采用第一種方案）采用第一種方案 FPSQR操

36、作的操作的CPI由由CPIFPSQR20減至減至CPIFPSQR2， 則整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為（從原則整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為（從原CPI中減去節(jié)省中減去節(jié)省 的周期數(shù)）：的周期數(shù)）： CPI1CPI（CPIFPSQRCPIFPSQR）2% 2(202) 2%1.64 （2）采用第二種方案）采用第二種方案 所有所有FP操作的操作的CPI由由CPIFP4減至減至CPIFP2，則整個，則整個 系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為：系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為： CPI2CPI（CPIFPCPIFP）25% 2(42) 25%1.5 從降低整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)的程度來看，第從降低整個系統(tǒng)的

37、指令平均時鐘周期數(shù)的程度來看，第 二種方案優(yōu)于第一種方案。二種方案優(yōu)于第一種方案。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 例例1.5 1.5 考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計方法：考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計方法： （1 1）CPUCPU1 1：通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條件通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條件 碼進(jìn)行分支。碼進(jìn)行分支。 （2 2）CPUCPU2 2：在分支指令中包括比較過程。在分支指令中包括比較過程。 在這兩種在這兩種CPUCPU中，條件分支指令都占用中，條件分支指令都占用2 2個時鐘周期，個時鐘周期， 而所有其它指令占用而所有其它指令占用1 1個時鐘周期。對于個時

38、鐘周期。對于CPUCPU1 1，執(zhí)行的指令，執(zhí)行的指令 中分支指令占中分支指令占30%30%；由于每條分支指令之前都需要有比較指；由于每條分支指令之前都需要有比較指 令，因此比較指令也占令，因此比較指令也占30%30%。由于。由于CPUCPU1 1在分支時不需要比較，在分支時不需要比較， 因此假設(shè)因此假設(shè)CPUCPU2 2的時鐘周期時間是的時鐘周期時間是CPUCPU1 1的的1.351.35倍。問：哪一個倍。問：哪一個 CPUCPU更快？如果更快？如果CPUCPU2 2的時鐘周期時間只是的時鐘周期時間只是CPUCPU1 1的的1.151.15倍，哪倍，哪 一個一個CPUCPU更快呢？更快呢？

39、1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 解解 我們不考慮所有系統(tǒng)問題，所以可用我們不考慮所有系統(tǒng)問題，所以可用CPUCPU性能公式。性能公式。 占用占用2 2個時鐘周期的分支指令占總指令的個時鐘周期的分支指令占總指令的30%30%，剩下的，剩下的 指令占用指令占用1 1個時鐘周期。所以個時鐘周期。所以 CPICPI1 1 = 0.3 = 0.3 2 + 0.70 2 + 0.70 1 = 1.3 1 = 1.3 則則CPUCPU1 1性能為：性能為： 總總CPUCPU時間時間1 1 = IC = IC1 1 1.3 1.3 時鐘周期時鐘周期1 1 根據(jù)假設(shè)，有：根據(jù)假設(shè)，有： 時鐘周期時鐘周

40、期2 2 = 1.35 = 1.35 時鐘周期時鐘周期1 1 在在CPU2CPU2中沒有獨立的比較指令，所以中沒有獨立的比較指令，所以CPU2CPU2的程序量的程序量 為為CPU1CPU1的的70%70%，分支指令的比例為：，分支指令的比例為： 30%/70% = 42.8%30%/70% = 42.8% 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 這些分支指令占用這些分支指令占用2 2個時鐘周期，而剩下的個時鐘周期，而剩下的57.2%57.2%的指令占用的指令占用 1 1個時鐘周期，因此：個時鐘周期，因此： CPICPI2 2 = 0.428 = 0.428 2 + 0.572 2 + 0.5

41、72 1 = 1.428 1 = 1.428 因為因為CPUCPU2 2不執(zhí)行比較，故：不執(zhí)行比較，故： ICIC2 2 = 0.7 = 0.7 IC IC1 1 因此因此CPUCPU2 2性能為：性能為： 總總CPUCPU時間時間2 2 = IC = IC2 2 CPI CPI2 2 時鐘周期時鐘周期2 2 = 0.7 = 0.7ICIC1 1 1.428 1.428 1.351.35時鐘周期時鐘周期1 1） = 1.349 = 1.349 ICIC1 1 時鐘周期時鐘周期1 1 在這些假設(shè)之下，盡管在這些假設(shè)之下，盡管CPUCPU2 2執(zhí)行指令條數(shù)較少，執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUCPU1 1

42、因為有著更因為有著更 短的時鐘周期，所以比短的時鐘周期，所以比CPUCPU2 2快。快。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 如果如果CPUCPU2 2的時鐘周期時間僅僅是的時鐘周期時間僅僅是CPUCPU1 1的的1.151.15倍，則倍，則 時鐘周期時鐘周期2 2 = 1.15 = 1.15 時鐘周期時鐘周期1 1 CPUCPU2 2的性能為：的性能為： 總總CPUCPU時間時間2 2 = IC = IC2 2 CPICPI2 2 時鐘周期時鐘周期2 2 = 0.7= 0.7ICIC1 11.428 1.428 1.151.15時鐘周期時鐘周期1 1） = 1.15 = 1.15 IC

43、 IC1 1 時鐘周期時鐘周期1 1 因此因此CPUCPU2 2由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPUCPU1 1運行更快。運行更快。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 4.程序的局部性原理程序的局部性原理 程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機的，而是程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機的，而是 相對地簇聚。這種簇聚同時存在于指令訪問和數(shù)據(jù)訪問中。相對地簇聚。這種簇聚同時存在于指令訪問和數(shù)據(jù)訪問中。 n常用的一個經(jīng)驗規(guī)則常用的一個經(jīng)驗規(guī)則 程序執(zhí)行時間的程序執(zhí)行時間的90%90%都是在執(zhí)行程序中都是在執(zhí)行程序中10%10%的代碼。的代碼。 n程序的時間局部性程序

44、的時間局部性 程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信 息。息。 n程序的空間局部性程序的空間局部性 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。息在空間上相鄰或者臨近。 程序的這種局部性原理是計算機系統(tǒng)多層存儲體系的基本原程序的這種局部性原理是計算機系統(tǒng)多層存儲體系的基本原 理依據(jù)，特別是高速緩沖存儲器理依據(jù)，特別是高速緩沖存儲器Cache。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n1.3.2 計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù) n計算機系統(tǒng)設(shè)計者的任務(wù)計算

45、機系統(tǒng)設(shè)計者的任務(wù)包括：指令系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)表包括：指令系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)表 示的設(shè)計、功能的組織、邏輯設(shè)計以及其物理實現(xiàn)等。示的設(shè)計、功能的組織、邏輯設(shè)計以及其物理實現(xiàn)等。 n設(shè)計一個計算機系統(tǒng)大致要完成設(shè)計一個計算機系統(tǒng)大致要完成3個方面的工作。個方面的工作。 1.確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求 n計算機系統(tǒng)設(shè)計者的目標(biāo)計算機系統(tǒng)設(shè)計者的目標(biāo) 設(shè)計出能滿足用戶的功能需求、有較長的生命周設(shè)計出能滿足用戶的功能需求、有較長的生命周 期、且又具有很高的性能價格比的系統(tǒng)。期、且又具有很高的性能價格比的系統(tǒng)。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)

46、的設(shè)計 n功能需求功能需求：根據(jù)市場的需要以及所設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域來確：根據(jù)市場的需要以及所設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域來確 定定 n應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 專用還是通用？面向科學(xué)計算還是面向商用處理？專用還是通用？面向科學(xué)計算還是面向商用處理？ n軟件兼容軟件兼容 軟件兼容軟件兼容是指一臺計算機上的程序不加修改就可以搬到是指一臺計算機上的程序不加修改就可以搬到 另一臺計算機上正常運行。另一臺計算機上正常運行。 n操作系統(tǒng)需求操作系統(tǒng)需求 包括地址空間大小、存儲管理、保護等。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括地址空間大小、存儲管理、保護等。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上 對操作系統(tǒng)的需求提供支持，是很重要的一點。對操作系統(tǒng)的需求提供支持，是很重

47、要的一點。 n標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 確定系統(tǒng)中哪些方面要采用標(biāo)準(zhǔn)以及采用什么標(biāo)準(zhǔn)。確定系統(tǒng)中哪些方面要采用標(biāo)準(zhǔn)以及采用什么標(biāo)準(zhǔn)。 如：如：浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、I/O總線標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、程序設(shè)計語言總線標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、程序設(shè)計語言 標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)等。準(zhǔn)等。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 2.軟硬件功能分配軟硬件功能分配 n考慮如何優(yōu)化設(shè)計？考慮如何優(yōu)化設(shè)計？ 必須考慮軟硬件功能的合理分配。必須考慮軟硬件功能的合理分配。 n軟件和硬件在實現(xiàn)功能上是等價的軟件和硬件在實現(xiàn)功能上是等價的 n用軟件實現(xiàn)用軟件實現(xiàn)的優(yōu)點：設(shè)計容易、修改簡單，而且可以減少硬件成的優(yōu)點：設(shè)計容易、修改簡單，而且可以減少硬件成

48、本。但是所實現(xiàn)的功能的速度較慢。本。但是所實現(xiàn)的功能的速度較慢。 n用硬件實現(xiàn)用硬件實現(xiàn)的優(yōu)點：速度快、性能高，但它修改困難，靈活性差。的優(yōu)點：速度快、性能高，但它修改困難，靈活性差。 n在軟硬件之間進(jìn)行折中和取舍。在軟硬件之間進(jìn)行折中和取舍。 3.設(shè)計出生命周期長的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計出生命周期長的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) n特別注意特別注意計算機應(yīng)用計算機應(yīng)用和和計算機技術(shù)計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 n設(shè)計出具有一定前瞻性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使得它具有較長的設(shè)計出具有一定前瞻性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使得它具有較長的 生命周期。生命周期。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 n1.3.3 計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法計算機

49、系統(tǒng)設(shè)計的主要方法 1.“由上往下由上往下”（top-down）設(shè)計設(shè)計 從層次結(jié)構(gòu)中的最上面一級開始，逐層往下設(shè)計從層次結(jié)構(gòu)中的最上面一級開始，逐層往下設(shè)計 各層的機器。各層的機器。 n首先確定面對使用者的那級機器的基本特征、數(shù)首先確定面對使用者的那級機器的基本特征、數(shù) 據(jù)類型和格式、基本命令等。據(jù)類型和格式、基本命令等。 n然后再逐級往下設(shè)計，每級都考慮如何優(yōu)化上一然后再逐級往下設(shè)計，每級都考慮如何優(yōu)化上一 級的實現(xiàn)。級的實現(xiàn)。 n適合于適合于專用機的設(shè)計，而不適合通用機的專用機的設(shè)計，而不適合通用機的 設(shè)計。設(shè)計。 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 2.“由下往上由下往上”（bo

50、ttom-up）設(shè)計設(shè)計 n從層次結(jié)構(gòu)的最下面一級開始，逐層往上從層次結(jié)構(gòu)的最下面一級開始，逐層往上 設(shè)計各層的機器。設(shè)計各層的機器。 n采用這種方法時，軟件技術(shù)完全處于被動采用這種方法時，軟件技術(shù)完全處于被動 狀態(tài)，這會造成軟件和硬件的脫節(jié)，使整狀態(tài)，這會造成軟件和硬件的脫節(jié)，使整 個系統(tǒng)的效率降低。個系統(tǒng)的效率降低。 （在早期被采用得比較多，現(xiàn)在已經(jīng)很少被采用（在早期被采用得比較多，現(xiàn)在已經(jīng)很少被采用 了了 ） 1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計計算機系統(tǒng)的設(shè)計 3.“從中間開始從中間開始”（middle-out）設(shè)計設(shè)計 n“由上往下由上往下”和和“由下往上由下往上”設(shè)計方法的主要缺點設(shè)計方法的主

51、要缺點 軟、硬件設(shè)計分離和脫節(jié)軟、硬件設(shè)計分離和脫節(jié) n解決方法：解決方法：綜合考慮軟、硬件的分工，從中間開始設(shè)計。綜合考慮軟、硬件的分工，從中間開始設(shè)計。 n“中間中間”：層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件的交界面，目前一般是：層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件的交界面，目前一般是 在傳統(tǒng)機器語言機器級與操作系統(tǒng)機器級之間。在傳統(tǒng)機器語言機器級與操作系統(tǒng)機器級之間。 n從中間開始設(shè)計從中間開始設(shè)計 n首先要進(jìn)行軟、硬件功能分配，確定好這個界面。首先要進(jìn)行軟、硬件功能分配，確定好這個界面。 然后從這個界面開始，軟件設(shè)計者開始往上設(shè)計操作系然后從這個界面開始，軟件設(shè)計者開始往上設(shè)計操作系 統(tǒng)、匯編、編譯系統(tǒng)等，硬件設(shè)計者開始往

52、下設(shè)計傳統(tǒng)統(tǒng)、匯編、編譯系統(tǒng)等，硬件設(shè)計者開始往下設(shè)計傳統(tǒng) 機器級、微程序機器級等。機器級、微程序機器級等。 第第1章章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) n1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 本節(jié)導(dǎo)引：本節(jié)導(dǎo)引： n執(zhí)行時間和吞吐率執(zhí)行時間和吞吐率 n基準(zhǔn)測試程序基準(zhǔn)測試程序 n性能比較性能比較 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 n1.4.1 執(zhí)行時間和吞吐率執(zhí)行時間和吞吐率 如何評測一臺計算機的性能，與測試者看問如何評測一臺計算機的性能，與測試者看問 題的角度有關(guān)。題的角度有關(guān)。 n用戶關(guān)心的是：用戶關(guān)心的是：單個程序的單個程序的執(zhí)行時間執(zhí)行時間（執(zhí)行（執(zhí)

53、行 單個程序所花的時間很少）單個程序所花的時間很少） n數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：吞吐率吞吐率 （在單位時間里能夠完成的任務(wù)很多（在單位時間里能夠完成的任務(wù)很多 ） 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 假設(shè)兩臺計算機為假設(shè)兩臺計算機為X和和Y，X X比比Y Y快快的意思是：的意思是： 對于給定任務(wù)，對于給定任務(wù)，X X的執(zhí)行時間比的執(zhí)行時間比Y Y的執(zhí)行時間少。的執(zhí)行時間少。 X的性能是的性能是Y的的n n倍：倍： 執(zhí)行時間與性能成反比：執(zhí)行時間與性能成反比： 執(zhí)行時間Y 執(zhí)行時間X = n n= = = 執(zhí)行時間Y 執(zhí)行時間X 性能Y 1 性能

54、X 1 性能X 性能Y 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 n執(zhí)行時間可以有多種定義：執(zhí)行時間可以有多種定義： n計算機完成某一任務(wù)所花費的全部時間，包括磁盤計算機完成某一任務(wù)所花費的全部時間，包括磁盤 訪問、存儲器訪問、輸入訪問、存儲器訪問、輸入/輸出、操作系統(tǒng)開銷等。輸出、操作系統(tǒng)開銷等。 nCPU時間：時間：CPUCPU執(zhí)行所給定的程序所花費的時間，不執(zhí)行所給定的程序所花費的時間，不 包含包含I/OI/O等待時間以及運行其它程序的時間。等待時間以及運行其它程序的時間。 n用戶用戶CPUCPU時間：時間：用戶程序所耗費的用戶程序所耗費的CPUCPU時間。時間。 n系統(tǒng)系統(tǒng)CP

55、UCPU時間：時間：用戶程序運行期間操作系統(tǒng)耗費用戶程序運行期間操作系統(tǒng)耗費 的的CPUCPU時間。時間。 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 1.4.2 基準(zhǔn)測試程序基準(zhǔn)測試程序 n用于測試和比較性能的基準(zhǔn)測試程序的最佳選擇是用于測試和比較性能的基準(zhǔn)測試程序的最佳選擇是真真 實應(yīng)用程序。實應(yīng)用程序。 （例如編譯器）（例如編譯器） n以前常采用簡化了的程序，例如：以前常采用簡化了的程序，例如： n核心測試程序：核心測試程序：從真實程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu)從真實程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu) 成的小程序。成的小程序。 n小測試程序：小測試程序：簡單的只有幾十行的小程序。簡單的只有幾十行的

56、小程序。 n合成的測試程序：合成的測試程序：人工合成出來的程序。人工合成出來的程序。 WhetstoneWhetstone與與DhrystoneDhrystone是最流行的合成測試程序。是最流行的合成測試程序。 從測試性能的角度來看，上述測試程序不可信了從測試性能的角度來看，上述測試程序不可信了。 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 原因：原因： p這些程序比較小，具有片面性；這些程序比較小，具有片面性； p系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者和編譯器的設(shè)計者可以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者和編譯器的設(shè)計者可以“合謀合謀”把把 他們的機器面向這些測試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得他們的機器面向這些測試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得

57、 該機器顯得性能更高。該機器顯得性能更高。 n性能測試的結(jié)果除了和采用什么測試程序有性能測試的結(jié)果除了和采用什么測試程序有 關(guān)以外，還和關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測試在什么條件下進(jìn)行測試有關(guān)。有關(guān)。 n基準(zhǔn)測試程序設(shè)計者對制造商的要求基準(zhǔn)測試程序設(shè)計者對制造商的要求 n采用同一種編譯器；采用同一種編譯器； n對同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。對同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 n基準(zhǔn)測試程序套件：基準(zhǔn)測試程序套件：由各種不同的真實應(yīng)用由各種不同的真實應(yīng)用 程序構(gòu)成。程序構(gòu)成。 （能比較全面地反映計算機在各個方面的處理性能（

58、能比較全面地反映計算機在各個方面的處理性能 ） nSPECSPEC系列：系列：最成功和最常見的測試程序套件最成功和最常見的測試程序套件 （美國的標(biāo)準(zhǔn)性能測試公司創(chuàng)建）（美國的標(biāo)準(zhǔn)性能測試公司創(chuàng)建） n桌面計算機的基準(zhǔn)測試程序套件可以分為兩大類：桌面計算機的基準(zhǔn)測試程序套件可以分為兩大類： 處理器性能測試程序，圖形性能測試程序處理器性能測試程序，圖形性能測試程序 1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 nSPEC89SPEC89：用于測試處理器性能。用于測試處理器性能。1010個程序（個程序（4 4個個 整數(shù)程整數(shù)程 序，序，6 6個浮點程序）個浮點程序） n演化出了演化出了4 4個版

59、本個版本 SPEC92SPEC92：2020個程序個程序 SPEC95SPEC95：1818個程序個程序 SPEC2000SPEC2000：2626個程序個程序 SPEC CPU2006SPEC CPU2006： 2929個程序個程序 nSPEC CPU2006SPEC CPU2006 整數(shù)程序整數(shù)程序1212個（個（CINT2006CINT2006） 9 9個是用個是用C C寫的，寫的，3 3個是用個是用C+C+寫的寫的 浮點程序浮點程序1717個（個（CFP2006CFP2006） 6 6個是用個是用FORTRANFORTRAN寫的，寫的，4 4個是用個是用C+C+寫的，寫的，3 3個個

60、是用是用C C寫的，寫的，4 4個是用個是用C C和和FORTRANFORTRAN混合編寫的?；旌暇帉懙摹?1.4 計算機系統(tǒng)的性能評測計算機系統(tǒng)的性能評測 nSPECSPEC測試程序套件中的其它一系列測試程序組件測試程序套件中的其它一系列測試程序組件 nSPECSFSSPECSFS：用于用于NFSNFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測試（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測試 程序。它不僅測試處理器的性能，而且測試程序。它不僅測試處理器的性能，而且測試I/OI/O系統(tǒng)的性系統(tǒng)的性 能。它重點測試吞吐率。能。它重點測試吞吐率。 nSPECWebSPECWeb：WebWeb服務(wù)器測試程序。服務(wù)器測試程序。