計算機系統(tǒng)結構

I計算機系統(tǒng)結構

黃彩霞

長沙大學計算機科學與技術系

2010年

2

第一章

計算機系統(tǒng)結構的基本概念

Basicconceptsofcomputerarchitecture

3

內(nèi)要

*計算機系統(tǒng)結構的概念；

定量分析技術基礎；

。計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展；

。計算機系統(tǒng)結構中并行性的發(fā)展。

時間

5

1、提高處理機運算速度：MIPS=FzxIPC

其中:Fz為處理機的工作主頻

IPC(InstructionPerCycle)為

每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

提高IPC：

過去，幾個或幾十個周期完成一條指令

現(xiàn)在，一周期完成幾條指令（如超標量技術,多條流水線）

提高Fz:縮短門電路延遲，依靠技術進步

如P4的20級流水線（如超流水技術）

依靠先進的系統(tǒng)結構技術?。?/p>

6

2.計算機性能提高的幾個階段

A20世紀70年代末之前，大型機和小型機計算機性能每年提

高25%?30%。

A20世紀80年代初，出現(xiàn)微處理機，依靠集成電路技術，性

能每年提高35%

A20世紀80年中期，出現(xiàn)RISC技術、高級語言和操作系統(tǒng)等,

性能每年提高50%J

>1995年，先進系統(tǒng)結構對微處理器性能的貢獻是單純技術

進步的5倍。(

3.近幾年及將來，計算機性能按摩爾定理發(fā)展。

4.計算機系統(tǒng)的設計者們要不斷創(chuàng)新。

7

摩爾定律

由英特爾的共同創(chuàng)辦人GordonMoore在

1965年提出：

隨著計算機技術發(fā)展，計算機芯片的晶

體管的數(shù)量每18個月會翻一番，半導體的性

能與容量將以指數(shù)級增長，并且這種增長趨

勢將會持續(xù)延續(xù)下去。

計算機實現(xiàn)技術的發(fā)展.處理器8

三

三

『

:::?:逋::::?:

二

100000000::二:

三

三

三

三

三

三

三

三

::::::::::::::::::::::::::::::三:

二)..

：::-::,?/■:

二

.:::::::二:.

二

二

二

二

二

二

二

二

二

二

::二

二

二

:.:一:.:

一

一

一

一

一

一

一

9一

,?,一-一?;J)一

-一i

10000000〈Alpha21264:15million

:二:Moore定彳聿二:二二二:PentiumPro:5.5million

Pentium…,PowerPC620:6.9million

凝1000000■i8Q4版..

蒯Alpha21164:9.3million

后SparcUltra:5.2million

....................?*..........180：-

唱

12as?

100000---?--?..?..?..?--?--?.-?--?--?-.?--?--?--?-.?..?--?..?..?..?..?.-?

?-.1-?*..?..?

CMOS技術提高情況：

18086-?基片大?。好?年提高2倍；

一???*??..?..?..?..?..*..?._?.,?..?.-?--?.

.?--"--?--?--?--?..?--?..?..?--?..?--?--?--?--?--?--?..?-.?..?..?--?..?--?..?--?--?--?--?..?--?.

10000.?-..flM?--?..?--?.?--?--?..?..?..?..?..?..?..?..?..?...?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?.

.?-.??.?????

j-OAO..???-.........................................?線寬：每7年降低一半。

-?--?*-?-■-?，，一??，??-、?.I.VA<.?A

-14OO4'*'-*-*-*-?*--?*...*...—...*-*―邏輯電路。單芯片上的晶體

1000T管數(shù)量以每年60%-80%的速

時間率增長。

年代

但：近些年（2002年至今）

計算機性能的年增長率下降了

原因：

功耗問題；

。2、可進一步有效開發(fā)的指令級并行已經(jīng)很少;

?:「、存儲器訪問速度的提高變緩。

10

計算機系統(tǒng)中的層次概念

“軟硬件功能等效和分配問題”

這里從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)按功

能劃分成多級層次結構，以對這個系統(tǒng)進行描述、

分析、設計和使用。

“計算機語言可以說是一種虛擬的計算機系統(tǒng)”

計算機系統(tǒng)中的層次概念11

計算機語言由低級向高

級發(fā)展，高一級語言的

語句相對于低級語言功

能更強，更便于應用，

但又都以低級語言為基

礎。

計算機系統(tǒng)中的層次概念-

微程序機器級的機器語

言是微指令集，程序員

用微指令編寫的微程序

一般是直接由硬件解釋

實現(xiàn)的。

計算機系統(tǒng)中的層次概念13

傳統(tǒng)機器級的機器語

言是該機的指令集，

程序員用機器指令集

編寫的程序可以由微

程序進行解釋（仿真）。

可以沒有微程序機器

級。

計算機系統(tǒng)中的層次概念14

?:?操作系統(tǒng)虛擬機：

9直接管理傳統(tǒng)機器中

的軟硬件資源；

《是傳統(tǒng)機器的引伸。

提供了傳統(tǒng)機器所沒

有的某些基本操作和

數(shù)據(jù)結構（文件系統(tǒng)、

虛擬存儲系統(tǒng)、多道

程序系統(tǒng)和多線程管

理等）。

計算機系統(tǒng)中的層次概念15

。匯編語言虛擬機的

機器語言是匯編語

言。

?用匯編語言編寫的

程序，首先翻譯或

解釋成第3級和第2

級語言，然后再由

相應的機器執(zhí)行。

完成匯編語言翻譯

的程序就叫做匯編

程序。

計算機系統(tǒng)中的層次概念16

。高級語言虛擬機的

機器語言就是各種

高級語言。

?用這些語言所編寫

的程序一般是由稱

為編譯程序的翻譯

程序翻譯到第4級

或第3級上，個別的

高級語言也用解釋

的方法實現(xiàn)。

計算機系統(tǒng)中的層次概念17

應用語言虛擬機是

為使計算機滿足某

種專用用途而專門

設計的（人工智能、

教育、行政管理、

計算機設計）。

應用語言編寫的程

序一般是由應用程

序包翻譯到第5級上。

翻譯(Translation)18

翻逢技術是先把N+1級程序全部變換成N級程序后,

再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級程序，在執(zhí)行過程中N+1級

程序不再被訪問。

解釋(Interpretation)19

解釋技術是每當一條N+1級指令被譯碼后，就直接

去執(zhí)行一串等效的N級指令，然后再去取下一條

N+1級的指令，依此重復進行。

20

翻譯和解釋

解野抗行比翻鋅是的時間多,

但得儲寵間占用簌夕。

21

用戶

高級語言程序員

匯編語言程序員

w系統(tǒng)操作員

22

機器語言程序員

邏輯設計員

硬件設計員

計算機系統(tǒng)中的層次概念23

虛擬機器(virtual

machine):由軟件

實現(xiàn)的機器。

實際機器(actual

machine)由硬件或

固件實現(xiàn)的機器。

計算機系統(tǒng)結構概念的定義24

-------1964年C?M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)

時提出經(jīng)典的計算機系統(tǒng)結構

?(ComputerArchitecture)定義。

算型盍拯相盅是程序員所看蟲1的奸獸機的屬桃，

即槐含桃秸構與切怩特會

傳統(tǒng)機器語言級程序員

計算機系統(tǒng)結構25

?:3、概念性結構:?:?總線按功能和規(guī)范可分為三

大類型：

。（1）片級總線把各種不同芯片

連接在一起構成特定功能模

塊（如CPU模塊）的信息傳輸通

路。

?（2）系統(tǒng)總線微機系統(tǒng)中各插

件（模塊）之間的信息傳輸通路o

例如CPU模塊和存儲器模塊

或I/O接口模塊之間的傳輸通

路。（PCI總線AGP總線）

■（3）外總線微機系統(tǒng)之間或微

機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（儀器、儀

表、控制裝置等）之間信息傳

輸?shù)耐?，如EIARS-232C、

IEEE-488等。（ISA總線）

計算機系統(tǒng)結構27

*2、傳統(tǒng)機器語言程序員能看到的功能特性:

《指令系統(tǒng)（包括機器指令的操作類型和格式、指令間的排序

和控制機構等）；

9數(shù)據(jù)表示（硬件能直接辯認和處理的數(shù)據(jù)類型）；

《尋址規(guī)則（包括最小尋址單元、尋址方式及其表示）；

i寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）；

i中斷系統(tǒng)（中斷的類型和中斷響應硬件的功能等）；

計算機系統(tǒng)結構28

?2、傳統(tǒng)機器語言程序員能看到的功能特性（續(xù)）：

力機器工作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）；

《存儲系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲容量等）；

《信息保護（保護方式和硬件對信息保護的支持）；

《I/O結構（包括I/O聯(lián)結方式、處理機/存儲器與I/O設備間

數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態(tài)等）；等等。

計算機系統(tǒng)結構29

硬件

經(jīng)典計算機系統(tǒng)結構概念的實質是計算機系統(tǒng)中

軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界

面之下的是硬件和固件的功能。界面是“指令集結構”

軟件硬件界面分配30

?軟件和硬件的邏輯等效性

9由軟件實現(xiàn)的功能在原理上可以由硬/固件實現(xiàn)。

同樣，由硬件實現(xiàn)的功能原理上也可以由軟件

的模擬方法來實現(xiàn)。

軟件和硬件的性能價格比是不等效的。

?對于計算機系統(tǒng)軟硬件功能分配應保證在滿

足應用的前提下，充分利用硬件、器件、軟

件技術，使系統(tǒng)達到較高的性能價格比。

31

透明性(Transparency)

在計算機技術中，對這種本來是存在的事物或屬

性，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明

^(transparency)。

通常，在一個計算機系統(tǒng)中，低層機器的屬性對

高層機器的程序員往往是透明的。

透明性(Transparency)32

不同級別的程序員所看

到的是計算機系統(tǒng)的不

同屬性。

33

透明性(Transparency)

。例如：CPU類型、型號、主存儲器容量等

*對應用程序員透明

。對系統(tǒng)程序員、硬件設計人員等不透明

。例如：浮點數(shù)表示、乘法指令

?對高級語言程序員、應用程序員透明

。對匯編語言程序員、機器語言程序員不透明

。例如：微程序

。對匯編語言程序員、機器語言程序員透明

。對硬件設計人員、計算機維修人員不透明

34

廣義的計算機系統(tǒng)結構的概念

廣義（現(xiàn)代）的計算機系統(tǒng)結構概念,它除了包

括經(jīng)典的計算機系統(tǒng)結構的概念范疇（軟硬件界

面），還包括計算機組成和計算機實現(xiàn)的內(nèi)容。

計算機組成是計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)；

計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。

35

計算機系統(tǒng)結構/組成/實現(xiàn)

神,機俶感弟眼不:物理機器恐向各事件

的狒本方式與控喇方式、各部件的功怩也及

各部件之間的寐系。

神/機實現(xiàn)毫眼手.,器件載木和版?zhèn)m裝

秋木，其中器件枝木點實現(xiàn)林木中赳：

導作用。

36

例1系統(tǒng)結構研究的內(nèi)容包括（）

①芯片的設計與選擇②加法器的設計

指令系統(tǒng)的設計④電源的設計

例2計算機的外特性不包括（）

①數(shù)據(jù)表示②尋址方式

③寄存器定義磁機箱的設計

例3計算機系統(tǒng)結構研究的范圍不包括（）

①軟硬件界面的定義⑥乘法器的結構

③指令系統(tǒng)的定義④計算機系統(tǒng)性能的評價

37

例4硬件和軟件實現(xiàn)在邏輯上相同，但硬件的優(yōu)勢在于（）

品速度快②成本低

③容量大④靈活性好

例5以下正確的是（）

①機箱是計算機的外特性，屬于系統(tǒng)結構的研究范圍

②集成電路的設計是計算機系統(tǒng)結構的研究范圍

③加法器的設計是計算機實現(xiàn)的研究內(nèi)容」.

也計算機性能評價是計算機系統(tǒng)結構的研究范圍

38

例6:什么叫透明性？

解答：

在4算機技術中，一種本來是存在的事物或屬性，但從某種

角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。通常，在一個計算機系

統(tǒng)中，低層機器級的概念性結構和功能特性，對高級語言程序

員來說是透明的。

例7:從機器（匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？指

令地址寄存器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件碼寄存器；乘

法器；主存地址寄存器；磁盤外設；先行進位鏈；移位器；通

用寄存器；中斷字寄存器。

解答：不透明的：指令地址寄存器；條件碼寄存器；磁盤外設;

通用寄存器；中斷字寄存器。

透明的：指令緩沖器；時標發(fā)生器；乘法器；主存地址寄存

器；先行進位鏈；移位器。

39

L2.4計算機系統(tǒng)結構的分類

常見的計算機系統(tǒng)結構分類法有兩種：

Flynn分類法、馮氏分類法

40

f馮氏分類法

《用系統(tǒng)的最大并行度對計算機進行分類。

《最大并行度：計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理

的最大的二進制位數(shù)。

用平面直角坐標系中的一個點代表一個計算機系

統(tǒng)，其橫坐標表示字寬（〃位），縱坐標表示一次能

同時處理的字數(shù)（"字）。/X77表示了其最大并行度。

41

IFlynn分類法

《按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類。

《指令流：計算機執(zhí)行的指令序列。

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

9多倍性：在系統(tǒng)受限的部件上，同時處于同一執(zhí)

行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。

?Flynn分類法把計算機系統(tǒng)的結構分為4類：

單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）

單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）

多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）

*多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）

SM42

IS

(a)SISD計算機（b）SIMD計算機

SM

(c)MISD計算機(d)MIMD計算機

1.3定量分析技術4

。1、大概率事件優(yōu)先的原則：對于大概率事

件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權和

資源使用權，以獲得全局的最優(yōu)結果。

?:?要能夠確定什么是大概率事件，同時要說明

針對該事件進行的改進將如何提高機器的性

能。

44

。2、Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲

得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)

中所占的重要性。

。Amdahl定律既可以用來確定系統(tǒng)中對性能

限制最大的部件，也可以用來計算通過改進

某些部件所獲得的系統(tǒng)性能的提高。

Amdahl定得45

?:?加速比:

系統(tǒng)性能總執(zhí)行時間

改進后改進前

系統(tǒng)加速比

一系統(tǒng)性能總執(zhí)行時間

改進前改進后

Amdahl定律

系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素：

?！翱筛倪M比例fe”：可改進部分在原系統(tǒng)計算

時間中所占的比例，它總是小于等于1的。

?！安考铀俦萐e”可改進部分改進以后的性能

提高，一般情況下它是大于1的。

47

Amdahl定律:性能遞減現(xiàn)則

?：?如果僅僅對計算機

中的一部分做性能

改進，則改進越多,

系統(tǒng)獲得的效果越

小。

?:?推論：如果只針對

整個任務的一部分

進行優(yōu)化，那么所

獲得的加速比不大

于"（1-fe）O可改進比

率越小，獲得的加速比也越小。

Amdahl定得49

?:?一個“好”的計算機系統(tǒng)：具有高性能價格

比的計算機系統(tǒng)是一個帶寬平衡的系統(tǒng)，而

不是看它使用的某些部件的性能。

Amdahl定律練習50

例：假設在某程序的執(zhí)行過程中，浮點操作時

間占整個執(zhí)行時間的10%,現(xiàn)希望對浮點操

作加速。I

i設對浮點操作的加速比為號。請問程序的最大加

速比可達多少？

Amdahl定律練習51

1

s=-----------------------

(1-4)+—

Sf

1

—10%

(1-10%)+----

Sf

1

-0.1

=10/90.9+一

S

3、CPU的性能52

?將程序執(zhí)行的時間進行分解。

小將計算機系統(tǒng)中與實現(xiàn)技術和工藝有關的因素提取出來。

這個因素就是計算機工作的時鐘頻率，單位是Hz（力；

力可以測量執(zhí)行程序使用的總時鐘周期數(shù)（CLK）。'

。通過這兩個參數(shù)我們就可知道程序執(zhí)行的CPU時間：

TCPV=CLK/f

。在電子技術中，脈沖信號是一個按一定電壓幅度，

一定時間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號。我們將第一個

脈沖和第二個脈沖之間的時間間隔稱為周期；而將

在單位時間（如1秒）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)稱為頻率

53

指令執(zhí)行速度

?：?例:計算PentiumlV2GHz處理機的指令執(zhí)行速度。已

知其CPI=0.25.)

54

指令執(zhí)行速度

?：?例:計算PentiumlV2GHz處理機的指令執(zhí)行速度。已

知其CPI=0.25.

解：由于PentiumlV2GHz處理機的CPI=0.25,故

其IPC=4;又Fz=2000MHz

因此，MIPSPentiumIV2G=FzxIPC=2000x4

=8000MIPS=8GIPS

即每秒鐘80億次（平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令）

55

。程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)，記為/G

?指令時鐘周期數(shù)CPT(CyclesPerInstruction)：

每條指令執(zhí)行所需要的平均時鐘周期數(shù)。

CPI=CLK/IC

CPI(CyclesPerInstruction)為

每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)

IPC(lnstructionPerCycle)為

每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

CPU的性能：CPU性能公式56

CPI=CLK/IC

1------kCPIxIC=CLK

尸時

TCPU=CLK1f-

周

k

--------TCPU=CPIxIC/f-y期

時

TS間

TCPU=CPIXUTSK

CPU性能公式和系統(tǒng)結構57

。指令的平均時鐘周期數(shù)(CP/)：反映了計

算機實現(xiàn)技術、計算機指令集的結構和計算

機組織。

。程序的指令數(shù)(IC):反映了計算機指令集

的結構和編譯技術。

。時鐘頻率(f):反映了計算機實現(xiàn)技術、

生產(chǎn)工藝和計算機組織。

深入CPU性能公式5

假設計算機系統(tǒng)有"種指令，其中第諭指令

的處理時間為CP/”在程序中第i種指令出現(xiàn)的

次數(shù)為/G。

Tcpu^CLKIf!

CLK=Z(ICjxCPI.)

TCPU=CP1

=￡（IJXCPL）X?'cLK

深入CPU性能公式59

CPI=CLK/IC

CLK=工(IC[XCPI.)

CPI=￡(ICjxCPIJIIC

=ZMIC,/IC)xCPIj

ICI.IIC:

反映了第i種指令在程序中所占的比例。

60

例：假設在一般程序中浮點開平方操作FPSQR所占

I的比例為2%,它的CPI為100；其他浮點操作

FP所占的比例為23%,它的CPI=4.0；其余

75%指令的CPI=L33,計算該處理機的等效

CPIo如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計算

等效CPI。

61

例：假設在一般程序中浮點開平方操作FPSQR所占

I的比例為2%,它的CPI為100；其他浮點操作

FP所占的比例為23%,它的CPI=4.0；其余

75%指令的CPI=L33,計算該處理機的等效

CPIo如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計算

等效CPI。

解：等效CPIi=100x2%+4x23%+L33x75%=3.92

等效CPI?=4x25%+L33x75%=2.00

改進了在用戶程序中僅占2%的開平方操作，整

個機器的等效運算速度提高了近一倍。

CPU性能公式練習62

例：假設我們考慮條件分支指令的兩種不同設計方法

如下：

?CPUA：通過比較指令設置條件碼，然后測試條

件碼進行分支。

?CPUB：在分支指令中包括比較過程。

CPUACPUBi

比較指令‘二＞支指令［

測試分支

CPU性能公式練習63

?：?哪一個CPU更快?

1T-CPTxTCx1T

CPUAdCPU4CPU4CLK

1TCPUR-C^PrTiCPURxTCCPURx1TCLK

￡>￡>￡>

CP“CPUB

康?旨令

分支指令

測試分支

CPU性能公式練習64

在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個時鐘周期

而所有其它指令占用個時鐘周期

1oCP/分支=2

CP“CP"

CP/其它=1

其它指令其它指令60%4-80%=75%

60%

20%比較指令分支指令20%+80%=25%

20%測試分支

CPU性能公式練習65

對于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%;由于每

個分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也

占20%。

CPUACPUB八T

CPI分支=2

CPI^=1

縣匕

其它指令■其它指令

60%TC

其它3

=(1—40%)/。/

20%分支指令

IC分支IC分支B

20%測試分支A

CPU性能公式練習66

由于CPUA在分支時不需要比較，因此假設它的時

^鐘11周期時間比CPUB快L25倍（指令多，但指令執(zhí)行時間短）

B、、

CP“CPUCPI分支=2

一

CPI昊&匕=1

其它指令其它指令“TJC其它8

=(1—40%)/Cj

睜指令分支指令ICi=IC…

分支N分支6

測試分支

1CLK^—「乙"CLK*

CPU性能公式練習67

T

rpiJ=V/(rZvCixC7Vi7)xTCLK

CPUACPUBCPI分支=2

CP【其它二1

其它指令■其它指令IC

其它B

=(1-40%)ICA

分支指令

IC八古=IC

分支A分支B

測試分支

T_1T

1CLKB~L，ZJ'OXA

CPU性能公式練習68

T=V{ICXCPI.)XTCJK

CPIUJAN」'i「4CLKA

=(2x20%+1x80%)/CxTGK

/LCZTLZY4

=1.2X/CAXT

T=、(ICxCPI.)xT。,一時鐘周期時間1

CPUBN」、i「BCLKB

=(2x20%+1x60%)/Cx1.25x

[25%*2+75%*1]*ICB

=1.25x/Cj"

CPUA快，即使其執(zhí)行的指令數(shù)較CPUB多。

CPU性能公式練習69

*如果CPUA的時鐘周期時間僅僅比CPUB快11倍,

哪一個CPU更快呢?

CP“CP%%

=1.2XICAXTCLK

=CCJTC氏

測試分支

計算機性能的評測71

利用時間概念評測一臺計算機的性能和測試

者所處的角度有關。

一執(zhí)行時間（響應時間）:從事件開始到結束之

間的時間。

小吞吐率（Throughput）:在單位時間內(nèi)所能完成

的工作量（任務）。

?:?用戶以響應時間為標準，多道程序系統(tǒng)以吞

吐率為標準。

“快”（Fast）的