計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章

1、1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主講：主講：任國(guó)林任國(guó)林 EmailEmail： 2 引引 言言 一、一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能與結(jié)構(gòu) 1 1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能 * *系統(tǒng)性能：系統(tǒng)性能：指指在在計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件上上運(yùn)行的運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件的性能的性能 思考思考-我買我買計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)時(shí)，關(guān)注什么？可以獲得哪些數(shù)據(jù)？時(shí)，關(guān)注什么？可以獲得哪些數(shù)據(jù)？ * *性能指標(biāo)：性能指標(biāo)： 處理處理能力能力響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、吞吐率吞吐率(MIPS(MIPS或或MFLOPS)MFLOPS)等等 其它能力其它能力正確性、兼容性、正確性、兼容性、RASRAS( (可靠性

2、可靠性/ /可用性可用性/ /可維護(hù)性可維護(hù)性) )等等 思考：思考：參數(shù)參數(shù)( (主頻主頻/ /主存容量主存容量/FSB/FSB頻率頻率/ /顯卡顯卡) )與處理能力關(guān)系？與處理能力關(guān)系？ 思考：思考：品牌與其它能力關(guān)系？品牌與其它能力關(guān)系？ 思考：思考：我選擇機(jī)型及品牌時(shí)，如何決策？我選擇機(jī)型及品牌時(shí)，如何決策？ 3 聯(lián)想聯(lián)想G40-80（i5 5200U） CPUCPU系列系列IntelIntel酷睿酷睿i5 5i5 5代代內(nèi)存容量?jī)?nèi)存容量4GB4GB（4GB4GB1 1） CPUCPU型號(hào)型號(hào)Intel Intel 酷?？犷5 5200Ui5 5200U內(nèi)存類型內(nèi)存類型DDR3DDR

3、3 CPUCPU主頻主頻2.2GHz2.2GHz插槽數(shù)量插槽數(shù)量2 2SO-DIMM SO-DIMM ( (/ /DIMM)DIMM) 最高睿頻最高睿頻2700MHz2700MHz最大內(nèi)存容量最大內(nèi)存容量 16GB16GB 三級(jí)緩存三級(jí)緩存4MB4MB硬盤容量硬盤容量500GB 500GB (+(+固態(tài)固態(tài)HDHD) ) 總線規(guī)格總線規(guī)格DMI DMI 5GT/s5GT/s顯卡芯片顯卡芯片AMD AMD RadeonRadeon R5 M230 R5 M230 核心架構(gòu)核心架構(gòu)Broad wellBroad well顯存容量顯存容量2GB2GB 核心核心/ /線程數(shù)線程數(shù)雙核心雙核心/ /四線

4、程四線程顯存類型顯存類型DDR3DDR3 制程工藝制程工藝14nm14nm顯存位寬顯存位寬64bit64bit 指令集指令集AVX2AVX2，64bit64bit流處理器數(shù)量流處理器數(shù)量 320320 功耗功耗15W15WDirect XDirect X11.211.2 I/OI/O接口接口USBUSB、VGAVGA、HDMIHDMI、RJ45 RJ45 ( (內(nèi)部?jī)?nèi)部PCI-E/S-ATA)PCI-E/S-ATA) 計(jì)算機(jī)硬件參數(shù)計(jì)算機(jī)硬件參數(shù) DMIDMI直接媒體接口直接媒體接口( (Direct Media Interface) )，GT/sGT/s千兆次傳輸千兆次傳輸/ /秒秒 AVX

5、AVX高級(jí)矢量擴(kuò)展高級(jí)矢量擴(kuò)展( (Advanced Vector Extensions)，是是SSE(SSE(流式流式SIMDSIMD擴(kuò)展擴(kuò)展) )的擴(kuò)展的擴(kuò)展 4 2 2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) * *計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)換代換代標(biāo)志：標(biāo)志：器件、技術(shù)、結(jié)構(gòu)等的飛躍器件、技術(shù)、結(jié)構(gòu)等的飛躍 * *系統(tǒng)效率與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)：系統(tǒng)效率與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)： 系統(tǒng)系統(tǒng)效率效率 器件器件效率效率結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)效率效率 例：例：1965196519751975年，系統(tǒng)效率提高年，系統(tǒng)效率提高100100倍，器件速度僅提高倍，器件速度僅提高1010倍；倍； Pentium-Pentium-200200、P-P-233233的

6、的iCOMPiCOMP 2.0 2.0分別為分別為142142、267267 ( (iCOMPiCOMPintel COmparative Microprocessor Performance，Intel微處理器性能比較指數(shù)微處理器性能比較指數(shù)) ) * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容： 劃分軟劃分軟/ /硬件功能界面，研究新的硬件功能界面，研究新的結(jié)構(gòu)與技術(shù)結(jié)構(gòu)與技術(shù) 思考思考-我設(shè)計(jì)某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，如何劃分軟我設(shè)計(jì)某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，如何劃分軟/ /硬件界面？硬件界面？ 如何組織硬件功能？如何評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)方案？如何組織硬件功能？如何評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)方案？ （本課程的主要內(nèi)容）（本課程的主要內(nèi)容）

7、 5 二、課程目標(biāo)二、課程目標(biāo) 1、課程目標(biāo)、課程目標(biāo) (1)(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念、內(nèi)容的概念、內(nèi)容及設(shè)計(jì)原理；及設(shè)計(jì)原理； 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的技術(shù)、分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的技術(shù)、分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法； 了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)原理及最新了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)原理及最新技術(shù)技術(shù) (2)(2)計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)的研究計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)的研究 流水線技術(shù)的分析及設(shè)計(jì)；流水線技術(shù)的分析及設(shè)計(jì)； 互連網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析；技術(shù)分析； 并行處理機(jī)及多處理機(jī)技術(shù)并行處理機(jī)及多處理機(jī)技術(shù)分析分析 6 2 2、課程學(xué)習(xí)方法、課程學(xué)習(xí)方

8、法 (1)(1)從從系統(tǒng)設(shè)計(jì)者系統(tǒng)設(shè)計(jì)者角度，角度，分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容對(duì)系統(tǒng)性能的掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容對(duì)系統(tǒng)性能的影響影響； 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容的性能分析方法性能分析方法 (2)(2)通過通過剖析剖析PCPC機(jī)相關(guān)機(jī)相關(guān)技術(shù)技術(shù)，掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方法 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容的掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容的相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù)及及設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法； 掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)及及并行處理技術(shù)并行處理技術(shù) 系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法方法是本課程的重點(diǎn)！是本課程的重點(diǎn)！ 3 3、參考教

9、材、參考教材 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程( (第第3 3版版) )，張晨曦等張晨曦等，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社 2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法( (第第2 2版版) )，鄭緯民鄭緯民等譯，等譯， 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 7 第一章第一章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 8 第第1 1節(jié)節(jié) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 一、一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 軟硬件軟硬件 交界面交界面 L6L6：應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)：應(yīng)用語(yǔ)言級(jí) L5L5：高級(jí)語(yǔ)言級(jí)：高級(jí)語(yǔ)言級(jí) L4L4：匯編語(yǔ)言級(jí)：匯編語(yǔ)言級(jí) L3L3：操作系統(tǒng)級(jí)：操作系統(tǒng)級(jí) L2L2

10、：機(jī)器語(yǔ)言級(jí)：機(jī)器語(yǔ)言級(jí) L1L1：微程序機(jī)器級(jí)：微程序機(jī)器級(jí) L0L0：電子線路：電子線路 硬件硬件 固件固件 軟件軟件 虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 翻譯（應(yīng)用程序包）翻譯（應(yīng)用程序包） 翻譯（編譯程序）翻譯（編譯程序） 翻譯（匯編程序）翻譯（匯編程序） 解釋解釋 硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行 部分解釋部分解釋 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)技術(shù)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)技術(shù) 9 二、二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 * *由由上向下上向下方法：方法：軟件軟件硬件硬件，適合專用機(jī)的，適合專用機(jī)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 特點(diǎn)特點(diǎn)周期長(zhǎng)周期長(zhǎng)( (好幾年好幾年) )，忌，忌需求變化需求變化， 不能利用不能利用最新軟件技術(shù)最

11、新軟件技術(shù) 形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié) * *由由下向上下向上方法：方法：硬件硬件軟件軟件，適合通用機(jī)的設(shè)計(jì)，適合通用機(jī)的設(shè)計(jì) 特點(diǎn)特點(diǎn)周期長(zhǎng)周期長(zhǎng)( (好幾年好幾年) )，不能利用，不能利用最新硬件技術(shù)最新硬件技術(shù)， 軟件效率軟件效率低低 形成形成軟、硬脫節(jié)軟、硬脫節(jié) * *從從中間開始中間開始方法：方法：首先設(shè)計(jì)軟首先設(shè)計(jì)軟/ /硬件交界面硬件交界面 特點(diǎn)特點(diǎn)周期短周期短( (約約1/2)1/2)，能夠利用能夠利用最新軟、硬件技術(shù)最新軟、硬件技術(shù) 主流設(shè)計(jì)方法主流設(shè)計(jì)方法 要求要求不斷不斷進(jìn)行交互、優(yōu)化進(jìn)行交互、優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 需好的需好的評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)工具及方法工具及方法 設(shè)計(jì)人員技術(shù)要全面設(shè)

12、計(jì)人員技術(shù)要全面 10 三、三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念結(jié)構(gòu)的概念 * *問題問題：不同語(yǔ)言層次的程序員，看到的系統(tǒng)不同語(yǔ)言層次的程序員，看到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同！結(jié)構(gòu)不同！ 1 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 (1)(1)基本定義基本定義 程序員程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 (2)(2)精確定義精確定義 -Amdahl-Amdahl提出提出 機(jī)器語(yǔ)言程序員機(jī)器語(yǔ)言程序員或或編譯程序編寫者編譯程序編寫者所看到的計(jì)算機(jī)的所看到的計(jì)算機(jī)的屬性屬性 概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu) 功能特性功能特性 系統(tǒng)軟系統(tǒng)軟、硬件功能、硬件功能界面的組成界面

13、的組成 界面功能的分配或組織界面功能的分配或組織 ( (其上用軟件實(shí)現(xiàn)、其下用硬件實(shí)現(xiàn)其上用軟件實(shí)現(xiàn)、其下用硬件實(shí)現(xiàn)) ) * *實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：研究研究軟、硬件間的軟、硬件間的界面定義界面定義及及其上下的功能分配其上下的功能分配 11 2 2、系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容的研究?jī)?nèi)容 CPUCPU 鍵盤接口鍵盤接口 鍵盤鍵盤 顯卡顯卡 顯示器顯示器 MEMMEM 磁盤接口磁盤接口 磁盤磁盤 機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí) 機(jī)器機(jī)器 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 程序員看到程序員看到 的屬性的屬性 進(jìn)程管理程序進(jìn)程管理程序 作業(yè)管理程序作業(yè)管理程序文件管理程序文件管理程序 存儲(chǔ)管理程序存儲(chǔ)管理程序 設(shè)備管理程序設(shè)備管理程

14、序 信息保護(hù)信息保護(hù) 操作系統(tǒng)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí) 機(jī)器機(jī)器 注：注：作業(yè)管作業(yè)管 理含理含用戶用戶界界 面操作處理面操作處理 輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行 回下頁(yè)回13頁(yè) * *相鄰兩級(jí)相鄰兩級(jí)機(jī)器的機(jī)器的關(guān)聯(lián)：關(guān)聯(lián)： 12 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表示表示硬件能直接識(shí)別和處理的硬件能直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型 尋址方式尋址方式最小尋址單元、最小尋址單元、尋址種類及規(guī)則尋址種類及規(guī)則( (地址運(yùn)算地址運(yùn)算) ) 寄存器寄存器組織組織寄存器的種類、數(shù)量和使用方式寄存器的種類、數(shù)量和使用方式 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)機(jī)器指令的類型、格式，指令間排序及機(jī)器指令的類型、格式，指令間排序及控制控制 * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

15、研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 程序員程序員看看 到到的屬性的屬性 信息保護(hù)信息保護(hù) 機(jī)器狀態(tài)機(jī)器狀態(tài) 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng) I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)主存主存編址單位、可編址空間，容量等編址單位、可編址空間，容量等 I/O I/O結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)I/OI/O設(shè)備連接方式、數(shù)據(jù)設(shè)備連接方式、數(shù)據(jù)傳送傳送方式及格式、方式及格式、I/OI/O操作操作 狀態(tài)狀態(tài)表示表示等等 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷的類型、中斷響應(yīng)的硬件功能中斷的類型、中斷響應(yīng)的硬件功能等等 機(jī)器機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換工作狀態(tài)定義和切換系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài)/ /用戶態(tài)的組織與用戶態(tài)的組織與管理管理 信息信息保護(hù)

16、保護(hù)保護(hù)方式、硬件支持保護(hù)方式、硬件支持等等 轉(zhuǎn)上頁(yè) 13 轉(zhuǎn)10頁(yè) 3 3、結(jié)構(gòu)與組成及實(shí)現(xiàn)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)與組成及實(shí)現(xiàn)的關(guān)系 * *計(jì)算計(jì)算機(jī)組機(jī)組成：成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)人員看到的基本看到的基本屬性屬性 研究研究?jī)?nèi)容內(nèi)容數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通路寬度、專用部件設(shè)計(jì)通路寬度、專用部件設(shè)計(jì)、功能部件、功能部件并行度、并行度、 控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)組成、組成、排隊(duì)與緩沖技術(shù)、預(yù)估與預(yù)判技術(shù)、可靠性技術(shù)排隊(duì)與緩沖技術(shù)、預(yù)估與預(yù)判技術(shù)、可靠性技術(shù)等等 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) （合理實(shí)現(xiàn)（合理實(shí)現(xiàn)分配給硬件的分配給硬件的功能）功能） * *計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)的基

17、本屬性計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)的基本屬性 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)計(jì)算計(jì)算機(jī)組成的物理機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) ( (研究器件與微組裝技術(shù)研究器件與微組裝技術(shù)) ) 例例： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 乘法功能乘法功能 是否有乘法指令是否有乘法指令 乘法器乘法器/ /加法加法+ +移位移位 芯片機(jī)電路芯片機(jī)電路 主存系統(tǒng)主存系統(tǒng) 容量、編址方式容量、編址方式 速度、措施速度、措施 器件、電路器件、電路 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 帶寬、時(shí)延帶寬、時(shí)延 線數(shù)、傳輸控制線數(shù)、傳輸控制 介質(zhì)、線距介質(zhì)、線距 * *結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)的關(guān)系結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)的關(guān)系： 1 : n1 : n 1 : 1 : m m

18、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 組成組成 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 14 四、四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 1 1、弗林分類法、弗林分類法 * *分類原理：分類原理：按按指令流指令流和和數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流的的多倍性分類多倍性分類 * *類型：類型：SISDSISD、SIMDSIMD、MISDMISD、MIMDMIMD SISD CUMM IS IS PU DS SIMD CU MMm DS1 IS IS MM1 PUn DSn PU1 MISD DSIS1IS1 ISn DSISn MMm MM1PU1 PUn CU1 CUn MIMD DS1IS1IS1 ISn DSnISn MMm MM1PU1 PUn CU1 CUn * *特

19、點(diǎn)：特點(diǎn)：性能依次提高，性能依次提高，對(duì)流水線處理機(jī)分類不對(duì)流水線處理機(jī)分類不明確明確 15 2 2、漢德勒分類法、漢德勒分類法 * *分類原理：分類原理：在在3 3個(gè)層次，按個(gè)層次，按并行程度及并行程度及流水處理流水處理程度程度分類分類 層次層次 PCUPCU（處理器或宏流水）（處理器或宏流水） K K級(jí)級(jí) ALUALU（算邏部件或指令流水）（算邏部件或指令流水） D D級(jí)級(jí) BLCBLC（位級(jí)電路或操作流水）（位級(jí)電路或操作流水） W W級(jí)級(jí) 描述描述 T(C) T(C)K 其中：其中：K K為為PCUPCU數(shù)、數(shù)、K K為宏流水級(jí)數(shù)為宏流水級(jí)數(shù)(PCU(PCU數(shù)數(shù)) )，K KK K D

20、 D為每個(gè)為每個(gè)PCUPCU中中ALUALU數(shù)、數(shù)、D D為指令流水級(jí)數(shù)為指令流水級(jí)數(shù)(ALU(ALU數(shù)數(shù)) )， W W為為ALUALU或或PEPE字長(zhǎng)，字長(zhǎng)，W W為操作流水線級(jí)數(shù)為操作流水線級(jí)數(shù)(ELC(ELC套數(shù)套數(shù)) ) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)并行及流水線的程度有清晰的描述對(duì)并行及流水線的程度有清晰的描述 注：注：流水屬并行的一種類型，但有所不同；流水屬并行的一種類型，但有所不同； 并行程度越好，性能越高并行程度越好，性能越高 16 3 3、按控制方式、按控制方式分類分類 * *分類原理：分類原理：按程序執(zhí)行的控制方式分類按程序執(zhí)行的控制方式分類 * *分類結(jié)果：分類結(jié)果：共有共有4

21、4種類型種類型 控制流控制流方式方式指令按邏輯順序指令按邏輯順序執(zhí)行執(zhí)行( (如馮如馮諾依曼模型諾依曼模型) ) 數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流方式方式只要操作數(shù)到位，指令即可執(zhí)行，只要操作數(shù)到位，指令即可執(zhí)行， 指令無序指令無序執(zhí)行執(zhí)行(，源，源目的求解過程目的求解過程) ) 規(guī)約規(guī)約方式方式當(dāng)需要該指令結(jié)果時(shí)當(dāng)需要該指令結(jié)果時(shí)，指令，指令才會(huì)執(zhí)行，才會(huì)執(zhí)行， 指令無序指令無序執(zhí)行執(zhí)行(，目的，目的源源目的求解過程目的求解過程) ) 匹配方式匹配方式由謂詞由謂詞模式匹配，驅(qū)動(dòng)模式匹配，驅(qū)動(dòng)指令的指令的執(zhí)行執(zhí)行 ( (適合適合非數(shù)值型數(shù)據(jù)應(yīng)用非數(shù)值型數(shù)據(jù)應(yīng)用，如智能型計(jì)算機(jī)，如智能型計(jì)算機(jī)) ) * *特點(diǎn)：特

22、點(diǎn)：除控制流方式外，除控制流方式外，其它方式并行其它方式并行程度較好程度較好 17 五、五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟 1 1、需求分析、需求分析 分析范圍包括：應(yīng)用分析范圍包括：應(yīng)用環(huán)境、所用語(yǔ)言種類及特性、對(duì)環(huán)境、所用語(yǔ)言種類及特性、對(duì)OSOS的的 特殊要求、所用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、市場(chǎng)分析特殊要求、所用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、市場(chǎng)分析等等 2 2、需求說明、需求說明 形成形成、功能說明、器件性能說明、功能說明、器件性能說明等等 造價(jià)造價(jià)/ /可靠性可靠性/ /可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性/ /兼容性兼容性/ /速度等方面的原則速度等方面的原則 3 3、概念性設(shè)計(jì)、概念性設(shè)計(jì) 進(jìn)行軟、硬

23、件功能分析，確定機(jī)器級(jí)進(jìn)行軟、硬件功能分析，確定機(jī)器級(jí)界面界面 4 4、具體設(shè)計(jì)、具體設(shè)計(jì) 機(jī)器級(jí)界面各方面的確切定義，可考慮幾種機(jī)器級(jí)界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案方案 5 5、反復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)、反復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì) 18 第第2 2節(jié)節(jié) 定量分析基礎(chǔ)定量分析基礎(chǔ) 一、一、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 回22頁(yè) * *計(jì)算機(jī)的性能計(jì)算機(jī)的性能：正確性、工作能力、可靠性正確性、工作能力、可靠性 正確性正確性指與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的一致性，默認(rèn)是正確的指與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果的一致性，默認(rèn)是正確的 工作能力工作能力指系統(tǒng)的速度，分為峰值性能、持續(xù)性能指系統(tǒng)的速度，分為峰值性能、持續(xù)性能 響應(yīng)

24、時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：指指任務(wù)從輸入到結(jié)果輸出任務(wù)從輸入到結(jié)果輸出的的總時(shí)間總時(shí)間， 反映反映CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)及系統(tǒng)及OSOS等的總體等的總體性能性能 吞吞 吐吐 率：率：指單位時(shí)間內(nèi)能處理的指單位時(shí)間內(nèi)能處理的作業(yè)或任務(wù)數(shù)量作業(yè)或任務(wù)數(shù)量， 反映系統(tǒng)的多任務(wù)處理性能反映系統(tǒng)的多任務(wù)處理性能 可靠性可靠性用平均無故障時(shí)間用平均無故障時(shí)間(MTTF)(MTTF)表示，影響價(jià)格表示，影響價(jià)格 可用性可用性=MTTF/(MTTF+MTRF)=MTTF/(MTTF+MTRF)，MTRFMTRF為平均修復(fù)時(shí)間為平均修復(fù)時(shí)間 19 1 1、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間 * *定義：定義：指指一個(gè)任務(wù)從輸入到

25、輸出的總時(shí)間一個(gè)任務(wù)從輸入到輸出的總時(shí)間 T T響應(yīng) 響應(yīng) T TCPU CPU T T其它 其它， ，T TCPU CPU T T系統(tǒng) 系統(tǒng)CPUCPU T T用戶 用戶CPUCPU I IN NCPICPIT TC C， CPICPI包含包含ALUALU、訪問、訪問MEMMEM及及I/OI/O端口時(shí)間端口時(shí)間 性能因子性能因子 系統(tǒng)屬性系統(tǒng)屬性 I IN Np pm mk kT TC C 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 編譯技術(shù)編譯技術(shù) PEPE實(shí)現(xiàn)與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與控制技術(shù) CacheCache和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：能夠反映軟硬件系統(tǒng)的能夠反映軟硬件系統(tǒng)的總體性能總體性

26、能，但不易測(cè)量，但不易測(cè)量 * *影響影響CPICPI的的因素：因素： T TCPU CPU I IN NCPICPIT TC CI IN N(p(pm mk k) )T TC C 其中，其中，p p處理時(shí)延處理時(shí)延/ /指令，指令，mm訪存次數(shù)訪存次數(shù)/ /指令，指令，kk訪存時(shí)延訪存時(shí)延 20 2 2、吞吐率、吞吐率 * *定義：定義：指單位時(shí)間內(nèi)能夠指單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的任務(wù)數(shù)量處理的任務(wù)數(shù)量 T TP P n nn n個(gè)任務(wù)總時(shí)間個(gè)任務(wù)總時(shí)間 * *常用標(biāo)準(zhǔn)：常用標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)任務(wù)的對(duì)任務(wù)的定義無法統(tǒng)一定義無法統(tǒng)一 MIPS( MIPS(每秒百萬(wàn)次指令每秒百萬(wàn)次指令)-)- 66 C 6 1

27、0CPI10TCPI 1 10 MIPS 時(shí)鐘頻率 程序執(zhí)行時(shí)間 程序中指令條數(shù) MIPSMIPS不能反映指令功能強(qiáng)弱，常用相對(duì)不能反映指令功能強(qiáng)弱，常用相對(duì)MIPSMIPS表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算) 6 10 MFLOPS 程序執(zhí)行時(shí)間 程序中浮點(diǎn)操作次數(shù) MFLOPS MFLOPS僅僅反映反映浮點(diǎn)操作浮點(diǎn)操作能力，能力，不同不同OPOP用正則化法關(guān)聯(lián)用正則化法關(guān)聯(lián) * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：吞吐率與吞吐率與I/OI/O軟硬件軟硬件組織、組織、OSOS關(guān)系密切；關(guān)系密切； 能夠反映能夠反映軟硬件系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)對(duì)對(duì)多任務(wù)多任務(wù)的響應(yīng)能力的響應(yīng)能力 2

28、1 4 4、系統(tǒng)可擴(kuò)放性、系統(tǒng)可擴(kuò)放性 * *適用范圍：適用范圍：多多( (處理處理) )機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力評(píng)價(jià)機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力評(píng)價(jià) 衡量方法衡量方法-測(cè)量不同測(cè)量不同n時(shí)的加速比，時(shí)的加速比， 得到性能可擴(kuò)放性曲線得到性能可擴(kuò)放性曲線 * *性能加速比性能加速比：系統(tǒng)性能相對(duì)系統(tǒng)性能相對(duì)于單機(jī)于單機(jī)系統(tǒng)的提高比例系統(tǒng)的提高比例 S(p,n)=T(p,1)/T(p,n)+h(p,n) 其中，其中，p-問題規(guī)模，問題規(guī)模，n-處理器數(shù)量，處理器數(shù)量，h-通信時(shí)間通信時(shí)間 * *系統(tǒng)可擴(kuò)放性：系統(tǒng)可擴(kuò)放性：系統(tǒng)性能隨處理機(jī)數(shù)系統(tǒng)性能隨處理機(jī)數(shù)n n的的增長(zhǎng)比例，增長(zhǎng)比例，S=f (n) 影響

29、因素影響因素結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問題規(guī)模、存儲(chǔ)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問題規(guī)模、存儲(chǔ)系統(tǒng)等 S S n n 1 1 B B系統(tǒng)系統(tǒng) A A系統(tǒng)系統(tǒng) 3 3、利用率、利用率 * *定義：定義：利用率持續(xù)性能利用率持續(xù)性能峰值峰值性能性能 * *特點(diǎn)：特點(diǎn)：不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標(biāo)有密切關(guān)系；不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標(biāo)有密切關(guān)系； 對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用！對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用！ 22 二、性能評(píng)測(cè)技術(shù)二、性能評(píng)測(cè)技術(shù) 1 1、分析技術(shù)、分析技術(shù) * *思路思路：一定假設(shè)條件下，系統(tǒng)參數(shù)與性能指標(biāo)間存在函數(shù)一定假設(shè)條件下，系統(tǒng)參數(shù)與性能指標(biāo)間存在函數(shù)

30、 關(guān)系，按其工作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)條件列出方程，用數(shù)學(xué)方法求解關(guān)系，按其工作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)條件列出方程，用數(shù)學(xué)方法求解 * *發(fā)展發(fā)展：用近似求解代替脫離用近似求解代替脫離實(shí)際的實(shí)際的假設(shè)，假設(shè)， 算法有聚合算法有聚合法、均值分析法、擴(kuò)散法等法、均值分析法、擴(kuò)散法等 * *應(yīng)用：應(yīng)用：可應(yīng)用于可應(yīng)用于設(shè)計(jì)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)的分析與評(píng)價(jià) 例例A A機(jī)執(zhí)行的程序中有機(jī)執(zhí)行的程序中有20%20%轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令( (需需2T2TC C) )，轉(zhuǎn)移指令均需一轉(zhuǎn)移指令均需一條條 比較指令比較指令( (需需1T1TC C) )配合，其他指令均為配合，其他指令均為1T1TC C。B B機(jī)中機(jī)中轉(zhuǎn)移指令包含轉(zhuǎn)移

31、指令包含比較比較指指 令功能，令功能，但但T TC C比比A A機(jī)慢機(jī)慢15%15%。A A機(jī)、機(jī)、B B機(jī)執(zhí)行該程序時(shí)，哪個(gè)工作速度快？機(jī)執(zhí)行該程序時(shí)，哪個(gè)工作速度快？ 解解T TCPUA CPUA= =I INANA (0.2(0.22+0.22+0.21+0.61+0.61)1)T TCA CA=1.2 =1.2 I INA NA T TCA CA ， ， T TCPUB CPUB= =0.8I 0.8INA NA (0.2/0.8)(0.2/0.8)2+(1- 0.2/0.8)2+(1- 0.2/0.8)1)1)1.151.15T TCA CA=I =INA NA T TCA CA 故

32、故B B機(jī)比機(jī)比A A機(jī)快機(jī)快 23 2 2、模擬、模擬技術(shù)技術(shù) * *思路：思路：建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型、工作模型、工作負(fù)載模型，負(fù)載模型， 對(duì)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)對(duì)運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià) * *方法：方法： 建立建立系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型( (按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行特性按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行特性) )； 建立建立工作負(fù)載工作負(fù)載模型模型( (按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)可能的工作負(fù)載特性按被評(píng)價(jià)系統(tǒng)可能的工作負(fù)載特性) )； 編寫編寫模擬程序模擬程序，模仿模仿( (在被在被評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)系統(tǒng)上系統(tǒng)上) )運(yùn)行運(yùn)行； 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)( (依照依照評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)目標(biāo)、選擇相

33、關(guān)因素目標(biāo)、選擇相關(guān)因素) )，得出實(shí)驗(yàn)值，得出實(shí)驗(yàn)值， 再進(jìn)行再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析統(tǒng)計(jì)、分析 * *應(yīng)用：應(yīng)用：可應(yīng)用于可應(yīng)用于設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)；的分析與評(píng)價(jià)； 可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)混合系統(tǒng)可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)混合系統(tǒng) 注意：注意：分析和模擬分析和模擬技術(shù)的結(jié)果，均技術(shù)的結(jié)果，均須通過測(cè)量技術(shù)須通過測(cè)量技術(shù)驗(yàn)證驗(yàn)證 24 3 3、測(cè)量、測(cè)量技術(shù)技術(shù) * *思路思路：采用采用基準(zhǔn)測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試程序，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量程序，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量 * *基準(zhǔn)測(cè)試程序：基準(zhǔn)測(cè)試程序： 測(cè)試程序種類測(cè)試程序種類實(shí)際實(shí)際應(yīng)用程序、核心程序、合成測(cè)試應(yīng)用程序、核心程序、合成

34、測(cè)試程序程序 第一第一個(gè)個(gè)層次：層次：用于用于測(cè)試系統(tǒng)總體性能；測(cè)試系統(tǒng)總體性能； 后后兩個(gè)兩個(gè)層次：層次：用于用于測(cè)試部件測(cè)試部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)等系統(tǒng)等) )性能性能 基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序包含三包含三個(gè)層次的個(gè)層次的測(cè)試程序組測(cè)試程序組，典型的有，典型的有 SPECSPEC程序組程序組，包含測(cè)試，包含測(cè)試多多個(gè)領(lǐng)域個(gè)領(lǐng)域、三個(gè)層次的測(cè)試程序、三個(gè)層次的測(cè)試程序 * *應(yīng)用：應(yīng)用：只能應(yīng)用于只能應(yīng)用于實(shí)際使用中系統(tǒng)實(shí)際使用中系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)；的分析與評(píng)價(jià)； 通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求( (應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域) )選擇基準(zhǔn)測(cè)試選擇基準(zhǔn)測(cè)試 程序組中的

35、程序組中的部分測(cè)試程序部分測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)量進(jìn)行測(cè)量 25 三、性能三、性能設(shè)計(jì)定量原理設(shè)計(jì)定量原理 1 1、大概率事件優(yōu)先原則、大概率事件優(yōu)先原則 * *基本思想：基本思想：對(duì)大概率對(duì)大概率事件，賦予優(yōu)先處理事件，賦予優(yōu)先處理權(quán)和資源使用權(quán)權(quán)和資源使用權(quán), , 以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果 該原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中該原則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要最重要和和最常用最常用的原則的原則 * *應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令操作碼采用霍夫曼指令操作碼采用霍夫曼編碼編碼 程序執(zhí)行程序執(zhí)行使高頻指令的使高頻指令的CPICPI較小較小 溢出處理溢出處理優(yōu)化不溢出情況的優(yōu)化不溢出情況的處理處理 存儲(chǔ)

36、系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用采用層次結(jié)構(gòu)，虛存的層次結(jié)構(gòu)，虛存的TLBTLB由高速由高速SRAMSRAM組成組成 26 2 2、阿姆達(dá)爾（、阿姆達(dá)爾（AmdahlAmdahl）定律）定律 * *思想思想：優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于 該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例 eeee rffT T p S /)1 ( 10 改進(jìn)后運(yùn)行時(shí)間 改進(jìn)前運(yùn)行時(shí)間 * *應(yīng)用：應(yīng)用：使用該使用該定律，可發(fā)現(xiàn)定律，可發(fā)現(xiàn)“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸” 方法方法改善某部件性能后，系統(tǒng)的性能急劇提高改善某部件性能后，系統(tǒng)的性能急

37、劇提高 * *舉例：舉例：某功能處理時(shí)間占系統(tǒng)時(shí)間的某功能處理時(shí)間占系統(tǒng)時(shí)間的40%40%，將其處理速度加，將其處理速度加 快快1010倍后，整個(gè)系統(tǒng)性能提高多少？倍后，整個(gè)系統(tǒng)性能提高多少？ 解解已知已知f fe e=0.4=0.4，r re e=10=10，利，利 用用AmdahlAmdahl定律，則定律，則 S Sp p=1.56=1.56 0.00.51.0 fe Sp 10 1 5 r re e=10=10時(shí)時(shí)S Sp p和和f fe e的關(guān)系如右圖：的關(guān)系如右圖： 27 3 3、程序訪問局部性原理、程序訪問局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序執(zhí)行時(shí)，呈現(xiàn)出頻繁重復(fù)使用那些程序

38、執(zhí)行時(shí)，呈現(xiàn)出頻繁重復(fù)使用那些“簇聚簇聚” 的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含時(shí)間局部性和空間局部性時(shí)間局部性和空間局部性 時(shí)間局部性時(shí)間局部性-近期近期被訪問的信息，被訪問的信息，可能很快被可能很快被訪問訪問 空間局部性空間局部性-被訪問信息的相鄰信息，可能很快被被訪問信息的相鄰信息，可能很快被訪問訪問 例例 for for ( (intint i i=0; =0; i i100; 100; i i+) Sum +) Sum = Sum + A= Sum + Ai i; * *應(yīng)用應(yīng)用：層次層次存儲(chǔ)體系存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)、緩沖器組織設(shè)計(jì)、緩沖器組織 5 5、軟硬件取舍原則、軟硬件取舍

39、原則 現(xiàn)有現(xiàn)有軟硬件條件下軟硬件條件下，所選方法有助于，所選方法有助于提高系統(tǒng)的提高系統(tǒng)的性性/ /價(jià)價(jià)； 所選方法盡量所選方法盡量不限制不限制計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)；計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)； 所選方法能夠?qū)幾g程序所選方法能夠?qū)幾g程序和和操作系統(tǒng)提供操作系統(tǒng)提供好的好的支持支持 4 4、充分利用并行原則、充分利用并行原則 * *基本思想：基本思想：t0t0t1t1tntnmaxmaxt0,t1,t0,t1,tntn 28 第第3 3節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展 一、一、馮馮諾依曼諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其改進(jìn) 1 1、計(jì)算機(jī)模型、計(jì)算機(jī)模型 * *結(jié)構(gòu)與組成：結(jié)構(gòu)與組成：5 5大

40、部件，以運(yùn)算器為中心大部件，以運(yùn)算器為中心 * *數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：指令指令/ /數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算均用數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算均用二進(jìn)制二進(jìn)制方式方式 * *存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：由由定長(zhǎng)單元定長(zhǎng)單元構(gòu)成的構(gòu)成的一維一維空間，空間，按地址按地址訪問訪問 回下頁(yè) * *存儲(chǔ)程序工作方式：存儲(chǔ)程序工作方式： 程序存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)指令指令及及數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)先存放預(yù)先存放在在存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中中 程序控制程序控制按程序按程序邏輯順序邏輯順序，自動(dòng)、逐條自動(dòng)、逐條取出指令并執(zhí)行取出指令并執(zhí)行 2 2、性能瓶頸、性能瓶頸 CPU-MEMCPU-MEM訪問瓶頸：訪問瓶頸：CPUCPU高頻率、用邏輯地址訪問高頻率、用

41、邏輯地址訪問MEMMEM 指令串行執(zhí)行瓶頸：指令串行執(zhí)行瓶頸：無法利用軟硬件的并行處理能力無法利用軟硬件的并行處理能力 29 3 3、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、結(jié)構(gòu)改進(jìn) ( (系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)) ) 轉(zhuǎn)上頁(yè) * *改進(jìn)改進(jìn)I/OI/O方式：方式：采用中斷方式、采用中斷方式、DMADMA方式方式( (實(shí)現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)以MEMMEM為中心為中心) )， 改進(jìn)總線改進(jìn)總線( (增加寬度、總線級(jí)數(shù)增加寬度、總線級(jí)數(shù)) ) * *改進(jìn)存儲(chǔ)器：改進(jìn)存儲(chǔ)器：采用層次結(jié)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu)( (降低降低T TA A) )、哈弗結(jié)構(gòu)、哈弗結(jié)構(gòu)( (支持流水線支持流水線) )， 采用多體交叉采用多體交叉MEMMEM( (提高帶寬

42、提高帶寬) )， 采用虛擬采用虛擬MEMMEM( (利于多線程、軟件規(guī)模、利于多線程、軟件規(guī)模、MEMMEM利用率利用率) ) * *優(yōu)化優(yōu)化CPUCPU性能：性能：采用流線水、多采用流線水、多( (線程線程/ /核核)CPU)CPU等技術(shù)，等技術(shù)， 采用數(shù)據(jù)流技術(shù)采用數(shù)據(jù)流技術(shù)( (處理并行性中的沖突處理并行性中的沖突) ) * *改進(jìn)指令系統(tǒng)：改進(jìn)指令系統(tǒng)：采用采用RISCRISC技術(shù)技術(shù)( (利于并行處理利于并行處理) )， 增加新數(shù)據(jù)表示增加新數(shù)據(jù)表示/ /指令指令( (提高軟件性能提高軟件性能) ) 30 二、影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的相關(guān)因素二、影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的相關(guān)因素 1 1、軟件對(duì)系

43、統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響、軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 * *影響因素：影響因素：軟件可移植性軟件可移植性 (1)(1)系列機(jī)系列機(jī) * *思想：思想：具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴(kuò)充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用不同的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴(kuò)充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用不同的 組成或?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)軟件可移植性組成或?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 * *解決方法：解決方法：通常通常有三種有三種 回下頁(yè) 機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí) 高級(jí)語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí) 微程序級(jí)微程序級(jí) 目標(biāo)機(jī)目標(biāo)機(jī) 機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí) 高級(jí)語(yǔ)言級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí) 微程序級(jí)微程序級(jí) 宿主機(jī)宿主機(jī) 統(tǒng)一機(jī)器語(yǔ)言統(tǒng)一機(jī)器語(yǔ)言 統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言 解釋機(jī)器語(yǔ)言解釋機(jī)器語(yǔ)言 宿主機(jī)上解釋程

44、序宿主機(jī)上解釋程序 目標(biāo)機(jī)目標(biāo)機(jī)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言 31 * *影響影響1 1：使得新的組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)很快得到應(yīng)用，大量兼容使得新的組成與實(shí)現(xiàn)技術(shù)很快得到應(yīng)用，大量兼容 產(chǎn)品的出現(xiàn)，產(chǎn)品的出現(xiàn)，推動(dòng)推動(dòng)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 對(duì)系列對(duì)系列機(jī)的要求機(jī)的要求保證保證向后兼容向后兼容，力爭(zhēng)，力爭(zhēng)向上兼容向上兼容！ 軟件軟件兼容兼容種類種類向上向上/ /向下向下、向前、向前/ /向后向后 發(fā)布時(shí)間發(fā)布時(shí)間 機(jī)器檔次機(jī)器檔次 當(dāng)前機(jī)器當(dāng)前機(jī)器( (如如P4P4) ) 向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 (如小型機(jī)如小型機(jī))高高 向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 20052005年年 200620

45、06年年 20092009年年 (如嵌入式系統(tǒng)如嵌入式系統(tǒng))低低 * *影響影響2 2：為保持軟件兼容性，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，為保持軟件兼容性，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，限制限制 了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 轉(zhuǎn)上頁(yè) 32 * *影響影響：對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展結(jié)構(gòu)的發(fā)展無限制無限制， 模擬模擬/ /仿真后系統(tǒng)性能不佳仿真后系統(tǒng)性能不佳 (2)(2)模擬與仿真模擬與仿真 * *模擬：模擬：用用機(jī)器語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序解釋解釋來實(shí)現(xiàn)軟件移植來實(shí)現(xiàn)軟件移植 需模擬目標(biāo)機(jī)指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、需模擬目標(biāo)機(jī)指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS等的操作等的操作 * *仿真：仿真：用用微程

46、序微程序直接解釋另一種指令系統(tǒng)直接解釋另一種指令系統(tǒng) 需解釋目標(biāo)機(jī)需解釋目標(biāo)機(jī)I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS等的操作等的操作 * *比較比較：不同不同解釋程序的語(yǔ)言及存放解釋程序的語(yǔ)言及存放位置位置、硬件是否參與、硬件是否參與 相同相同解釋解釋指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/OI/O系統(tǒng)、系統(tǒng)、OSOS 33 (3)(3)統(tǒng)一統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言 存在一定困難，可爭(zhēng)取匯編語(yǔ)言或接口存在一定困難，可爭(zhēng)取匯編語(yǔ)言或接口/ /技術(shù)的統(tǒng)一技術(shù)的統(tǒng)一 * *影響：影響：對(duì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展無限制無限制， 相關(guān)相關(guān)功能特性的功能特性的接口要求一致接口要求一致 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 O

47、SOS內(nèi)核內(nèi)核 虛擬機(jī)虛擬機(jī)VM1VM1 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 OSOS內(nèi)核內(nèi)核 虛擬機(jī)虛擬機(jī)VMnVMn 虛擬機(jī)監(jiān)控器虛擬機(jī)監(jiān)控器VMMVMM 物理硬件物理硬件(CPU(CPU、主存、主存、I/OI/O等等) ) * *方案方案1 1：采用采用統(tǒng)一的中間語(yǔ)言統(tǒng)一的中間語(yǔ)言( (如如Java)Java)，通過解釋執(zhí)行以適，通過解釋執(zhí)行以適 應(yīng)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) * *方案方案2 2：采用標(biāo)準(zhǔn)的采用標(biāo)準(zhǔn)的開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)( (具有可移植性、交互操作性具有可移植性、交互操作性) )， 用用硬件抽象層技術(shù)硬件抽象層技術(shù)適應(yīng)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) * *應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響：應(yīng)用

48、對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響： 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法選擇專用結(jié)構(gòu)、通用結(jié)構(gòu)選擇專用結(jié)構(gòu)、通用結(jié)構(gòu) 影響因素影響因素性能、價(jià)格需求性能、價(jià)格需求( (開發(fā)費(fèi)用開發(fā)費(fèi)用+ +生產(chǎn)費(fèi)用生產(chǎn)費(fèi)用) ) 技術(shù)進(jìn)步影響比例技術(shù)進(jìn)步影響比例 34 2 2、應(yīng)用對(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 * *應(yīng)用需求：應(yīng)用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求：應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求： 特殊領(lǐng)域特殊領(lǐng)域研究新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如巨研究新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如巨/ /大型機(jī)大型機(jī) 一般領(lǐng)域一般領(lǐng)域研究已有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，如通用計(jì)算機(jī)研究已有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，如通用計(jì)算機(jī) * *性能、價(jià)格

49、對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求：性能、價(jià)格對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求： 保持保持價(jià)格基本不變，提高價(jià)格基本不變，提高性能；性能； 保持保持性能基本不變，降低價(jià)格性能基本不變，降低價(jià)格 價(jià)格價(jià)格 時(shí)間時(shí)間 等性能線等性能線 巨型機(jī)巨型機(jī) 大型機(jī)大型機(jī) 中、小型機(jī)中、小型機(jī) 微型機(jī)微型機(jī) 35 3 3、器件對(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 * *器件使用器件使用方法發(fā)展：方法發(fā)展： 通用片通用片現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)片片半半用戶用戶片片用戶用戶片片 * *對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)的影響： 器件發(fā)展器件發(fā)展推動(dòng)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成技術(shù)的發(fā)展 如如器件性能、使用方法影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成方法，器件性能

50、、使用方法影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成方法， 器件性器件性/ /價(jià)提高，使結(jié)構(gòu)、組成下移速度更快，價(jià)提高，使結(jié)構(gòu)、組成下移速度更快， 器件的發(fā)展，推動(dòng)算法、語(yǔ)言的發(fā)展器件的發(fā)展，推動(dòng)算法、語(yǔ)言的發(fā)展 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求器件不斷發(fā)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求器件不斷發(fā)展 如如新結(jié)構(gòu)的使用，取決于器件發(fā)展能否提供可能新結(jié)構(gòu)的使用，取決于器件發(fā)展能否提供可能 提高器件性能提高器件性能/ /價(jià)格，要求改變器件邏輯設(shè)計(jì)價(jià)格，要求改變器件邏輯設(shè)計(jì)方法方法 36 三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 1 1、并行性、并行性 指指同同一時(shí)刻一時(shí)刻或或同同一時(shí)段一時(shí)段內(nèi)內(nèi)完成完成2 2種工作的種工作的特性特性 * *特性：特性：同時(shí)性、并發(fā)性同時(shí)性、并發(fā)性 (1)(1)并行