計算機系統(tǒng)結構-第一章(基本概念)

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1、 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 w引 言w計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 的 定 義w計 算 機 系 統(tǒng) 的 設 計 技 術w計 算 機 系 統(tǒng) 的 評 價 標 準w計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 的 發(fā) 展w計 算 機 系 統(tǒng) 的 分 類 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 自 第 一 臺 電 子 計 算 機 問 世 已 經 半 個 多 世紀 了 ， 它 已 經 歷 了

2、 五 次 更 新 換 代 ： 第 一 代 計 算 機 （ 1945 1954） 第 二 代 計 算 機 （ 1955 1964） 第 三 代 計 算 機 （ 1965 1974） 第 四 代 計 算 機 （ 1975 1991） 第 五 代 計 算 機 （ 1992 現(xiàn) 在 ） Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 引 言 將 電 子 管 和 繼 電 器 存 儲 器 用 絕 緣 導 線 互 連 起來 ， 單 個 CPU， CPU用 程 序 計 數 器 和 累 加 器 順 序完

3、 成 定 點 運 算 ， 采 用 機 器 語 言 或 匯 編 語 言 ， 用CPU程 序 控 制 I/O。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ： John Von Neumann、 Arthur Burks和 Herman Goldstine于 1946年 在 普 林 斯 頓 大 學 研 制 成 功 的 IAS計 算 機 ；賓 夕 法 尼 亞 大 學 莫 爾 學 院 于 1950年 制 成 的 ENIAC；IBM于 1953年 制 造 的 IBM701計 算 機 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術

4、系 本 章 內 容 引 言 采 用 分 立 式 晶 體 三 極 管 、 二 極 管 和 鐵 氧體 的 磁 芯 ， 用 印 刷 電 路 將 它 們 互 連 起 來 。 采用 了 變 址 寄 存 器 、 浮 點 運 算 、 多 路 存 儲 器 和I/O處 理 機 。 采 用 有 編 譯 程 序 的 高 級 語 言 、子 程 序 庫 、 批 處 理 監(jiān) 控 程 序 。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ：1959年 制 成 的 Univac LARC、 60年 代 的CDC1604和 1962年 制 成 的 IBM7030。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信

5、息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 引 言 采 用 小 規(guī) 模 或 中 規(guī) 模 集 成 電 路 和 多 層 印刷 電 路 。 微 程 序 控 制 在 這 一 代 開 始 普 及 。 采用 了 流 水 線 、 高 速 緩 存 和 先 行 處 理 機 。 軟 件方 面 采 用 多 道 程 序 設 計 和 分 時 操 作 系 統(tǒng) 。 代表 性 系 統(tǒng) 有 ： IBM 360/370系 列 、 CDC 6600/7600系 列 、 Texas儀 表 公 司 的 ASC和Digital Equipment公 司 的 PDP-8系 列 。 Computer Archi

6、tecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 引 言 采 用 大 規(guī) 模 或 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 和 半 導體 存 儲 器 ， 出 現(xiàn) 了 用 共 享 存 儲 器 、 分 布 式 存儲 器 或 向 量 硬 件 選 擇 的 不 同 結 構 的 并 行 計 算機 ， 開 發(fā) 了 用 于 并 行 處 理 的 多 處 理 操 作 系 統(tǒng) 、專 用 語 言 和 編 譯 器 ， 同 時 產 生 了 用 于 并 行 處理 或 分 布 處 理 的 軟 件 工 具 和 環(huán) 境 。 代 表 性 系統(tǒng) 有 ： VAX90

7、00、 CrayX-MP、 IBM 3090VF和 BBNTC-2000等 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 引 言 采 用 VLSI工 藝 更 加 完 善 的 高 密 度 、 高速 度 處 理 機 和 存 儲 器 芯 片 。 它 最 重 要 特 點 是進 行 大 規(guī) 模 并 行 處 理 ， 采 用 可 擴 展 的 和 容 許時 延 的 系 統(tǒng) 結 構 。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ： Fujitsu的 VPP500、 Cray Research的 MPP、Thinki

8、ng Machines公 司 的 CM-5、 Intel超級 計 算 機 系 統(tǒng) Paragon、 SGI的 Origin 2000和 Sun公 司 的 1000服 務 器 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 從 計 算 機 的 發(fā) 展 過 程 ， 我 們 可 以 看 出 ：計 算 機 系 統(tǒng) 性 能 的 不 斷 提 高 主 要 靠和 。 如 何 最 合 理 地 利 用 新 器 件 ， 最 大 限 度 地發(fā) 揮 其 潛 力 ， 設 計 并 構 成 綜 合 性 能 指 標

9、 最 佳的 計 算 機 系 統(tǒng) ， 單 純 依 靠 器 件 變 革 是 不 能 解決 的 ， 還 要 靠 計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 上 的 改 進 。 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 以 微 處 理 器 為 例 （ 圖 示 ） 。 在 20世 紀 80年 代中 期 以 前 ， 性 能 的 提 高 主 要 是 工 藝 技 術 驅 動 的 ，平 均 以 每 年 25%的 速 度 提 高 。 此 后 到 2002年 ， 性能 的 提 高 主 要 得 益 于 工 藝 技 術 和

10、先 進 的 系 統(tǒng) 結 構設 計 思 想 ， 該 增 長 率 達 到 了 52%。 2002年 后 ， 由于 在 電 源 、 可 用 的 指 令 級 并 行 和 存 儲 器 長 時 延 等限 制 ， 使 單 處 理 器 性 能 的 提 升 減 緩 到 22%。本 章 內 容 4 之 2 4 之 3 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 本 課 程 的 目 的 是 ： 讓 我 們 趕 快 開 始 吧 ！ 4 之 4 Computer Architecture V3 同 濟 大

11、學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 計 算 機 系 統(tǒng) 的 層 次 結 構 計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 的 概 念 計 算 機 組 成 的 概 念 計 算 機 實 現(xiàn) 的 概 念 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 應 用 語 言 級高 級 語 言 級匯 編 語 言 級操 作 系 統(tǒng) 級 傳 統(tǒng) 機 器 級微 程 序 機 器 級電 子 線 路 L5虛 擬 機L4虛 擬 機L3虛 擬 機L2虛 擬 機 翻 譯

12、 （ 應 用 程 序 包 ）翻 譯 （ 編 譯 程 序 ）翻 譯 （ 匯 編 程 序 ）軟 硬 件 交 界 面物 理 機 器 解 釋硬 件 直 接 執(zhí) 行硬 件固 件系 統(tǒng)軟 件虛擬機器實際機器 應 用軟 件 部 分 解 釋 11 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖應 用 語 言應 用 程 序 用 戶信 息 處 理 11 之 2 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計

13、算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖高 級 語 言解 釋 或 編 譯 高 級 語 言程 序 員運 行 程 序 11 之 3 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖匯 編 語 言匯 編 程 序 匯 編 語 言程 序 員運 行 程 序 11 之 4 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層

14、次 結 構 圖傳 統(tǒng) 機 器 級 指 令操 作 系 統(tǒng) 級 指 令操 作 系 統(tǒng) 操 作 員系 統(tǒng) 資 源 11 之 5 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖機 器 指 令系 統(tǒng)CPU 機 器 語 言程 序 員機 器 程 序 11 之 6 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖微 指 令 系 統(tǒng)微 程 序

15、 控 制 邏 輯設 計 員寄 存 器傳 送 門 11 之 7 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 層 次 結 構 圖硬 操 作 時 序硬 聯(lián) 邏 輯 硬 件 維 護員 /設 計 員邏 輯 線 路內 核 11 之 8 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 是 指 能 執(zhí) 行 和 存 儲 程 序 的 算 法 和 數 據 結構 的 集 合 體 。 是 指 算 法 和 數

16、 據 結 構 的實 現(xiàn) 方 法 ， 可 以 硬 件 /固 件 /軟 件 實 現(xiàn) 。 我 們 將 由 軟件 實 現(xiàn) 的 機 器 稱 為 ， 將 由 硬 件 /固 件 實 現(xiàn)的 機 器 稱 為 。本 章 內 容 定 義 11 之 9 從 計 算 機 系 統(tǒng) 的 某 一 層 使 用 者 的 角 度 看 ，只 需 通 過 該 層 的 語 言 就 可 以 使 用 機 器 ， 而 不 必關 心 其 下 層 的 機 器 是 如 何 工 作 和 如 何 實 現(xiàn) 各 自功 能 的 ， 這 一 性 質 稱 為 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學

17、院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義v 系 統(tǒng) 是 由 硬 件 和 軟 件 組 成 的v 軟 、 硬 件 功 能 在 邏 輯 上 是 等 價 的v 軟 件 和 硬 件 的 分 界 面 是 動 態(tài) 變 化 的 提 高 解 題 速 度 減 少 存 儲 量 硬 件 成 本 高 降 低 硬 件 利 用 率 、 系 統(tǒng) 靈活 性 和 適 應 性 降 低 硬 件 造 價 提 高 系 統(tǒng) 靈 活 性 和 適 應 性 降 低 解 題 速 度 增 加 系 統(tǒng) 存 儲 量 增 加 軟 件 設 計 費硬 件軟 件過 去 現(xiàn) 在 將 來 時 間硬 件 比 率100%0% 11 之 10 C

18、omputer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 有 利 于 正 確 地 理 解 計 算 機 系 統(tǒng) 的 工 作 ，明 確 軟 件 、 硬 件 和 固 件 在 計 算 機 系 統(tǒng) 中的 地 位 和 作 用 ； 有 利 于 理 解 各 種 語 言 的 實 質 及 其 實 現(xiàn) ； 有 利 于 探 索 虛 擬 機 器 新 的 實 現(xiàn) 方 法 ， 設計 新 的 計 算 機 系 統(tǒng) 。 11 之 11 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工

19、 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 “ 計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 ” 的 含 義 仍 有 多 種說 法 ， 并 無 統(tǒng) 一 的 定 義 ， 下 面 介 紹 兩 種 ： 定 義 一 定 義 二 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 概 念（ Amdahl, 1964）v 是 指 計 算 機 系 統(tǒng) 中 所 有 部 件 之 間 的 邏 輯 連 接 結 構 。 主 要 是 指 計 算 機 系 統(tǒng) 的 如 下 功 能 ：

20、數 據 表 示 、 尋 址 方 式 、 寄 存 器 組 織 、 指 令 系 統(tǒng) 、 存 儲 系 統(tǒng) 、 中 斷 機 構 、 I/O結 構 等 。 哎 ！ 未 指 明 程序 員 的 級 別 4 之 2 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 概 念 即 ： 計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 主 要 研究 軟 硬 件 功 能 分 配 和 對 軟 硬 件 界 面 的 確 定 。明 確 多 了 ！ 傳 統(tǒng) 機 器 級 嘛 ！ 4 之 3 Computer Architecture V

21、3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 指 硬 件 能 直 接 識別 和 處 理 的 數 據 類 型 和 格 式等 包 括 最 小 尋 址 單位 、 尋 址 方 式 的 種 類 、 表 示和 地 址 計 算 等 包 括 操 作 數 寄存 器 、 變 址 寄 存 器 、 控 制 寄存 器 和 某 些 專 用 寄 存 器 的 定義 、 數 量 和 使 用 約 定包 括 機 器 指 令 的操 作 類 型 和 格 式 ， 指 令 間 的排 序 方 式 和 控 制 機 構 等 包 括 最 小 編 址 單位 、 編 址 方 式 、 主 存 容 量 、

22、最 大 可 編 址 空 間 等 包 括 中 斷 類 型 、中 斷 分 級 、 中 斷 處 理 程 序 的功 能 和 入 口 地 址 等 包 括 I/O的 連 接 /訪 問 方 式 、 數 據 的源 和 目 的 、 數 據 傳 送 量 、 操作 的 結 束 和 出 錯 指 示 等 包 括 保 護 方 式 、硬 件 對 信 息 保 護 的 支 持本 章 內 容 定 義 概 念 4 之 4 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 數 據 通 路 寬 度專 用 部 件 的 設

23、置各 種 操 作 對 部 件 的 共 享 程 度功 能 部 件 的 并 行 度 控 制 機 構 的 組 成 方 式緩 沖 和 排 隊容 錯 技 術預 測 和 評 估 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 專 用 芯 片 （ ASIC） 的 設 計 處 理 機 、 Cache和 主 存 的 物 理 結 構 器 件 、 模 塊 、 插 件 和 底 板 的 邏 輯 劃 分 和 連 接 信 號 傳 輸 電 源 與 冷 卻 微 組 裝 和 整 機 組 裝 技 術 Compute

24、r Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 定 義 計 算 機 系 統(tǒng) 結 構 研 究 計 算 機 系 統(tǒng) 的 軟 、 硬 件 功 能分 配 和 軟 、 硬 件 界 面 的 確 定 ； 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) 。 具 有 相 同 系 統(tǒng) 結 構 的 計 算 機 可 以 因 為 速 度 等 因 素的 要 求 而 采 用 不 同 的 組 成 ； 一 種 計 算 機 的 組 成 可 以 采用

25、 多 種 不 同 的 計 算 機 實 現(xiàn) 。 系 統(tǒng) 結 構 、 組 成 和 實 現(xiàn) 所 包 含 的 具 體 內 容 隨 不 同時 期 及 不 同 的 計 算 機 系 統(tǒng) 會 有 不 同 ， 而 且 隨 著 技 術 、器 件 和 應 用 的 發(fā) 展 ， 三 者 之 間 的 界 限 越 來 越 模 糊 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 w計 算 機 系 統(tǒng) 設 計 者 的 任 務w計 算 機 系 統(tǒng) 的 設 計 方 法w計 算 機 系 統(tǒng) 的 設 計 步 驟w計 算 機 系 統(tǒng) 設 計

26、 的 定 量 準 則本 章 內 容 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 即 ： 計 算 機設 計 者 必 須 設 計 出 一 臺 既 能 滿 足 功 能 要 求 ， 又 能達 到 價 格 和 性 能 目 標 的 計 算 機 。 主 要 任 務 有 ： 確 定 用 戶 要 求 優(yōu) 化 設 計 設 計 出 符 合 今 后 發(fā) 展 方 向 的 系 統(tǒng) 結 構 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .

27、計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 任 務 確 定 用 戶 對 計 算 機 系 統(tǒng) 的 功 能 、 價 格 和性 能 的 要 求 。 例 如 ： 具 體 的 功 能 要 求 參 見 后 表 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 任 務 最 優(yōu) 設 計 方 案 的 選 擇 通 常 依 賴 于 價 格 和 性 能（ 后 面 介 紹 ） 。 設 計 者 在 處 理 價 格 和 性 能 之 間 的關 系 時 通 常 有 三 種 不

28、同 的 方 法 ： 例 如 ： 超 級 計 算 機 。 例 如 ： 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 例 如 ： 大 多 數 的 PC、 工 作 站 、 服 務 器 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 任 務 一 個 成 功 的 系 統(tǒng) 結 構 應 該 能 經 得 住 軟 、硬 件 技 術 的 發(fā) 展 和 應 用 的 變 化 ， 因 此 設 計 者必 須 特 別 注 意 計 算 機 應 用 和 計 算 機 技 術 的 發(fā)展 趨 勢 ， 這 樣 才 能 延 長 一

29、種 機 器 的 使 用 壽 命 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 w由 上 而 下 法w由 下 而 上 法w由 中 間 向 兩 頭 法 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 設 計 方 法 確 定 應 用 的 基 本 特 性 設 計 或 選 擇 面 向 該 應 用 的 高 級 語 言 設 計 適 用 于 所 選 高 級

30、 語 言 編 譯 的 中 間 語 言 設 計 面 向 該 應 用 的 操 作 系 統(tǒng) 設 計 面 向 所 用 編 譯 器 和 操 作 系 統(tǒng) 的 機 器 語 言 設 計 面 向 機 器 語 言 的 微 指 令 及 其 硬 件 實 現(xiàn) 適 用 于 面 向 某 一 應 用 的 專 用 機 的 設 計 設 計 周 期 較 長 （ 需 若 干 年 ） 由 于 技 術 發(fā) 展 很 快 ， 因 此 難 以 真 正 面 向 用 戶 優(yōu) 化 實 現(xiàn) Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設

31、計 技 術 設 計 方 法 不 考 慮 應 用 ， 參 照 現(xiàn) 有 機 器 特 點 設 計 微 程 序 機 器 級和 傳 統(tǒng) 機 器 級 選 擇 面 向 不 同 應 用 的 多 種 操 作 系 統(tǒng) 和 編 譯 器 20世 紀 60 70年 代 較 多 采 用 的 通 用 機 的 設 計 方 法 因 硬 件 不 可 更 改 ， 所 以 軟 件 設 計 被 動 系 統(tǒng) 的 某 些 性 能 指 標 不 確 切 ， 如 傳 統(tǒng) 機 器 級 的 “ 每秒 運 算 次 數 ” Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與

32、技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 設 計 方 法 確 定 軟 、 硬 件 界 面 軟 件 設 計 人 員 設 計 軟 件 ， 硬 件 設 計 人 員 設 計 硬 件（ 同 時 ） 20世 紀 60年 代 末 開 始 采 用 的 通 用 機 設 計 方 法 設 計 周 期 短 交 互 式 設 計 ， 便 于 提 高 系 統(tǒng) 性 能 要 求 設 計 人 員 具 有 軟 件 、 硬 件 、 器 件 和 應 用 等 方 面的 知 識 需 要 完 善 的 硬 件 系 統(tǒng) 模 擬 環(huán) 境 和 軟 件 設 計 環(huán) 境 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與

33、信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 系 統(tǒng) 應 用 環(huán) 境 ： 實 時 處 理 、事 務 處 理 、 科 學 計 算 、 遠程 處 理 所 用 語 言 的 種 類 和 特 性 對 操 作 系 統(tǒng) 的 特 殊 要 求 所 用 外 設 的 特 性 技 術 經 濟 分 析 市 場 分 析 設 計 準 則 功 能 說 明 器 件 性 能 說 明 確 定 機 器 級 界 面 定 義 機 器 級 界 面 的 內 容 ，可 提 供 多 種 方 案 提 高 系 統(tǒng) 的 性 能 價 格 比 本 章 內 容 設 計 技 術 Computer Architecture V3 同 濟 大 學

34、 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術w 加 快 經 常 性 事 件 的 速 度w CPU性 能 公 式w 局 部 性 原 理 w 利 用 并 行 性 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 。 這 是計 算 機 設 計 中 最 重 要 也 最 廣 泛 采 用 的 設 計 準則 。 ： 加 法 運 算 中 的 溢 出 和 不 溢 出 ； 中斷 處 理 中 的 常 規(guī) 性 保 護

35、 現(xiàn) 場 和 特 殊 性 保 護 現(xiàn)場 。 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 計 算 機 系 統(tǒng) 中 某 一 部 件 由 于 采 用 某 種 更快 的 執(zhí) 行 方 式 后 整 個 系 統(tǒng) 性 能 的 提 高 與 這 種執(zhí) 行 方 式 的 使 用 頻 率 或 占 總 執(zhí) 行 時 間 的 比 例有 關 。 4 之 2 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機

36、 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則整 個 系 統(tǒng) 的 加 速 比改 進 前 整 個 任 務 的 執(zhí) 行 時 間改 進 后 整 個 任 務 的 執(zhí) 行 時 間增 強 比 例 增 強 加 速 比 時 間改 進 后 改 進 部 分 的 執(zhí) 行 時 間改 進 前 改 進 部 分 的 執(zhí) 行 時 間改 進 前 整 個 任 務 的 執(zhí) 行可 改 進 部 分 占 用 的 時 間eeSF 4 之 3 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術

37、定 量 準 則假 設 某 測 試 程 序 中 FP指 令 執(zhí) 行 時 間 占 50%， FPSQR指 令 占 20%， 用 改 進 FPSQR指 令 速 度 為 原 來 的 10倍和 改 進 FP指 令 速 度 為 原 來 的 2倍 ， 哪 種 方 案 更 好 ？： Fe=0.2, Se=10 ， 根 據 Amdahl定 律 ， 加 速比 為 ： ： Fe=0.5, Se=2 ， 根 據 Amdahl定 律 ， 加 速 比為 ： ： 33.175.0125.0)5.01( 1 nS 22.182.0 1102.0)2.01( 1 nS 4 之 4 Computer Architecture V

38、3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則w公 式 一w公 式 二w公 式 三 6 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 CPU性 能 公 式 一 個 程 序 的 CPU時 間 可 以 通 過 下 式 表 達 ： 或 ： 簡 單 明 了 ， 沒 有 什 么 實 用 價 值 6 之 2 Computer Architecture V3 同

39、濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 CPU性 能 公 式 一 個 程 序 的 CPU時 間 可 以 通 過 下 式 表 達 ： 其 中 ： 為 一 個 程 序 的 指 令 總 數 ， 為 執(zhí) 行 一條 指 令 所 需 的 平 均 時 鐘 周 期 數 。 CPU時 間 與 3個 因 素 有 關 ： 時鐘 周 期 長 度 、 IC和 CPI 6 之 3 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章

40、 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 CPU性 能 公 式 一 個 程 序 的 CPU時 間 可 以 通 過 下 式 表 達 ： 其 中 ： 為 指 令 i在 一 個 程 序 中 的 執(zhí) 行 次 數 ， n為指 令 總 數 ， 為 執(zhí) 行 指 令 i所 需 的 平 均 時鐘 周 期 數 。 6 之 4 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則假 設 某 測 試 程 序 中 FP指 令 （ 包 括 FPSQR） 的 執(zhí) 行 頻度 為 25%， F

41、P指 令 的 平 均 CPI=4.0， 其 它 指 令 的 平 均CPI=1.33； FPSQR指 令 的 執(zhí) 行 頻 度 為 2%， FPSQR指 令 的 平 均 CPI=20。 假 設 有 兩 種 設 計 方 案 ： 一 種 是將 FPSQR的 CPI減 為 2， 另 一 種 是 將 所 有 FP的 CPI減為 2.5， 試 利 用 CPU性 能 公 式 比 較 這 兩 種 設 計 方 案 。原 系 統(tǒng) 的 CPI為 ： 0.2%75*33.1%254)(1 ni ii ICICPICPI原 系 統(tǒng) 6 之 5 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與

42、 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則： 將 FPSQR的 CPI減 為 2： 將 所 有 FP的 CPI減 為 2.5或 ： 64.1)220(%20.2%21 ）（ 新老原 系 統(tǒng)方 案 FPSQRFPSQR CPICPICPICPI 625.1)5.24(%250.2%252 ）（ 新老原 系 統(tǒng)方 案 FPFP CPICPICPICPI 625.1%255.2%7533.1)(12 ni ii ICICPICPI方 案 6 之 6 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信

43、息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 程 序 執(zhí) 行 中 呈 現(xiàn) 出 頻 繁 重 復 使 用 那 些 最 近 已使 用 過 的 數 據 和 指 令 的 規(guī) 律 。 這 反 映 在 時 間 局 部性 和 空 間 局 部 性 上 。 近 期 被 訪 問 的 信 息 ， 可 能 馬 上 被 訪 問 。 與 被 訪 問 地 址 相 鄰 的 地 址 上 的 信 息 可 能 會 一 起被 訪 問 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系

44、 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則w并 行 性 的 概 念w并 行 性 的 實 現(xiàn)w并 行 性 的 等 級w并 行 性 的 發(fā) 展 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 我 們 將 問 題 中 具 有 可 以 同 時 進行 運 算 或 操 作 的 特 性 稱 為 并 行 性 。并 行 性 實 際 上 包 含 和兩 重 含 義 ： 是 指 兩 個 或 多 個 事 件 在 同 一 時刻 發(fā) 生 ， 例 如 ： 流

45、水 。 是 指 兩 個 或 多 個 事 件 在 同 一 時間 間 隔 內 發(fā) 生 ， 例 如 ： 分 時 操 作 。 ABCt1 Dt2 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性w時 間 重 疊w資 源 重 復w資 源 共 享 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行

46、 性 并 行 性 的 實 現(xiàn) 讓 多 個 處 理 過 程 在 時 間 上 相互 錯 開 ， 輪 流 重 疊 地 使 用 同 一套 硬 件 設 備 的 各 個 部 分 ， 以 加快 硬 件 周 轉 而 提 高 速 度 。 指 令 流 水 線 。 不 需 要 增 加 硬 件 設 備 就 可 以提 高 計 算 機 系 統(tǒng) 的 性 能 價 格 比 。 t取 指 分 析 執(zhí) 行(a) 指 令 流 水 線 k k kk+1 k+1 k+1k+2 k+2 k+2部 件執(zhí) 行分 析取 指 t 2 t 3 t 4 t 5 t(b) 時 空 圖 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .

47、電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 實 現(xiàn) 通 過 重 復 設 置 資 源 （ 硬 件 、 軟 件 、 信 息 、 時 間 ）來 提 高 可 靠 性 或 性 能 。 N模 冗 余 結 構 提 高 可 靠 性 ； 多 值 存 儲 器 提高 信 息 存 儲 密 度 ； 多 處 理 機 提 高 速 度 和 可 靠 性 。 需 要 增 加 資 源 才 能 大 幅 度 提 高 計 算 機 系 統(tǒng) 的 性能 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子

48、 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 實 現(xiàn) 利 用 軟 件 的 方 法 讓 多 個 用 戶 按 一 定 的 時 間 順 序輪 流 地 使 用 同 一 套 資 源 ， 以 提 高 其 利 用 率 ， 從 而提 高 整 個 系 統(tǒng) 的 性 能 。 多 道 程 序 分 時 系 統(tǒng) 。 不 需 要 增 加 硬 件 設 備 就 可 以 提 高 計 算 機 系 統(tǒng) 的性 能 價 格 比 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院

49、 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 從 不 同 的 角 度 看 ， 等 級 的 劃 分 也 不 一 樣 ： 從 計 算 機 系 統(tǒng) 中 執(zhí) 行 程 序 的 角 度 看 從 計 算 機 系 統(tǒng) 中 處 理 數 據 的 角 度 看 從 計 算 機 信 息 加 工 的 各 個 步 驟 和 階 段 看 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級

50、 一 條 指 令 內 部 各 個 微 操 作 之 間 的 并 行 。多 條 指 令 的 并 行 執(zhí) 行 。 多 個 任 務 或 程 序 段 的 并 行 執(zhí) 行 。 多 個 作 業(yè) 或 多 道 程 序 的 并 行 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級 同 時 只 對 一 個 字 的 一 位 進 行 處 理 ， 這 通 常 是指 傳 統(tǒng) 的 串 行 單 處 理 機 ， 沒 有 并 行 性 。 同 時

51、對 一 個 字 的 全 部 位 進 行 處 理 ， 這 通 常 是指 傳 統(tǒng) 的 并 行 單 處 理 機 ， 開 始 出 現(xiàn) 并 行 性 。 同 時 對 許 多 字 的 同 一 位 （ 位 片 ） 進 行 處 理 ，開 始 進 行 并 行 處 理 領 域 。 同 時 對 許 多 字 的 全 部 或 部 分 進 行 處 理 。 10110111101100010010110010101110010位 片字 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利

52、 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級 例 如 ， 相 聯(lián) 處 理 機 。 例 如 ， 流 水 線 處 理 機 。 例 如 ， 并 行 處 理 機 。 例 如 ， 多 處 理 機 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性w單 處 理 機 系 統(tǒng) 內 并 行 性 的 發(fā) 展w多 計 算 機 系 統(tǒng) 及 其 向 并 行 處 理 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與

53、信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 發(fā) 展w 把 一 個 任 務 按 功 能 分 割 為 若 干 個 相 互 聯(lián) 系 的 子 任 務 ,然 后將 每 一 個 子 任 務 分 配 給 某 個 專 門 的 部 件 處 理 。 目 的 是 使 所有 部 件 同 時 處 于 全 面 忙 碌 工 作 的 狀 態(tài) 。 例 如 ： 指 令 流 水 線 。w 例 如 ： 多 體 存 儲 器 、 多 操 作 部 件 、 并 行 處 理 機 等 。w 例 如 ： 多 道 程 序 和 分 時 系 統(tǒng) Com

54、puter Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 設 計 技 術 定 量 準 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 發(fā) 展 多 臺 計 算 機 通 過 通 道 /通 信 線 路 實 現(xiàn) 互 連 ， 共 享某 些 外 設 ， 以 較 低 頻 帶 在文 件 /數 據 集 級 別 上 相 互 作用 。 系 統(tǒng) 功 能 被 劃 分 成 多個 專 門 功 能 ， 然 后 將 它 們分 散 給 各 個 專 用 處 理 機 。專 用 處 理 機 可 具 有 不 同 的體 系 結 構 。 目 標 是 構 成

55、 。 通 過 總 線 /高 速 互 連 網 絡互 連 多 臺 計 算 機 ， 共 享 主 存 ，以 較 高 速 率 在 數 據 /任 務 集 上相 互 作 用 。 支 持 進 程 和 程 序的 并 行 處 理 。 各 處 理 機 具 有相 同 的 功 能 。 目 標 是 構 成。w 地 理 上 分 散 的 多 臺 計 算機 通 過 計 算 機 通 信 網 實 現(xiàn) 互連 ， 共 享 資 源 。 目 標 是 構 成。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 w 成 本w 性 能 C

56、omputer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 成 本 是 指 生 產 一 個 計 算 機 系 統(tǒng) 所 需 的 費 用 ，包 括 軟 、 硬 件 的 費 用 。 影 響 因 素 ： 時 間 、 產 量 、商 品 化 。w 價 格 是 指 一 個 計 算 機 系 統(tǒng) 銷 售 時 的 金 額 。 以一 個 價 值 $1000的 PC為 例 （ 圖 ） 來 介 紹 價 格 的 構成 ：標 價 元 件 成 本 直 接 成 本 毛 利 平 均 折 扣 2 之 1 是 指 與 生 產

57、 一 件 產 品 直接 有 關 的 成 本 ， 包 括 勞 動 力 成 本 、保 證 金 （ 在 保 質 期 間 系 統(tǒng) 在 用 戶 那邊 失 靈 時 的 更 換 或 維 修 費 用 ） 等 。 是 指 與 生 產 一件 產 品 間 接 有 關 的 成 本 ， 包 括 公 司的 研 發(fā) 費 用 、 營 銷 費 用 、 設 備 維 護費 用 、 場 地 租 金 、 財 務 成 本 、 稅 前利 潤 和 稅 。 2 之 2 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 w

58、 性 能 標 準w 基 準 測 試 程 序 w 性 能 比 較 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 衡 量 計 算 機 性 能 的 唯 一 永 久 而 且 可 靠 的標 準 是 ： 。 下 面 介 紹 幾種 較 流 行 的 替 代 標 準 及 其 不 足 ：w MIPSw MFLOPSw 選 擇 程 序 評 價 性 能 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技

59、 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 MIPS（ 每 秒 百 萬 條 指 令 數 ） 定 義 為 ： 程 序 的 執(zhí) 行 時 間 為 ： 主 要 缺 點 ： 不 同 指 令 的 速 度 差 別 很 大 指 令 使 用 頻 度 差 別 很 大 有 相 當 多 的 非 功 能 性 指 令遺 憾 啊 ！ Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 MFLOPS（ 每 秒 百 萬 次 浮 點 操 作 次 數 ） 定 義 為

60、 ： MFLOPS只 能 衡 量 機 器 浮 點 操 作 的 性 能 ， 而 不 能 體 現(xiàn)機 器 的 整 體 性 能 。 主 要 缺 點 ： 依 賴 于 浮 點 運 算 集 依 賴 于 浮 點 操 作 類 型可 惜 ！ Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 主 要 有 5類 測 試 程 序 （ 以 測 量 準 確 程 度 遞 減 的次 序 排 列 ） ： 真 實 程 序 改 造 /模 擬 程 序 核 心 測 試 程 序 玩 具 基 準

61、 測 試 程 序 綜 合 基 準 測 試 程 序 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 選 擇 程 序 評 價 性 能 使 用 真 實 程 序 進 行 測 試 。 C編 譯 程 序 、 Word等 字 處 理 程 序 、 Photoshop等 應 用 程 序 。 會 因 程 序 依 賴 于 具 體 的 操 作 系 統(tǒng) 或 編 譯 器 而 產生 移 植 問 題 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子

62、 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 選 擇 程 序 評 價 性 能 解 決 可 移 植 問 題 側 重 于 系 統(tǒng) 性 能 的 某 一 特 定 方 面w 能 再 現(xiàn) 桌 面 系 統(tǒng) 中 可 能 出 現(xiàn) 的 相 互 影 響 的 行為 ， 或 模 擬 服 務 器 系 統(tǒng) 中 可 能 出 現(xiàn) 的 復 雜 的 多 用戶 交 互 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性

63、能 標 準 選 擇 程 序 評 價 性 能 從 真 實 程 序 中 提 取 出 的 一 些 小 而 關 鍵 的 程 序 段進 行 測 試 。 Livermore Loops和 Linpack等 。 將 計 算 機 中 各 項 特 性 的 性 能 分 離 出 來 ， 以 解 釋運 行 真 實 程 序 時 性 能 有 差 異 的 原 因 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 選 擇 程 序 評 價 性 能 選 擇 通 常 只 有 101

64、00行 的 代 碼 、 用 戶 在 測 試 之前 都 已 經 知 道 運 行 結 果 的 程 序 進 行 測 試 。 Puzzle、 快 速 排 序 等 。 用 于 測 試 某 種 特 定 指 標 。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 性 能 標 準 選 擇 程 序 評 價 性 能 人 工 合 成 出 來 的 測 試 程 序 。 為 了 使 測 試 程 序 的行 為 和 表 現(xiàn) 盡 可 能 接 近 于 真 實 的 應 用 程 序 ， 一 般先 對

65、大 量 的 應 用 程 序 中 的 操 作 進 行 統(tǒng) 計 ， 得 到 各種 操 作 的 比 例 ， 然 后 再 按 這 個 比 例 編 制 測 試 程 序 。 Whetstone和 Dhrystone。 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 把 應 用 程 序 中 用 得 最 頻 繁 的 那 部 分 核 心 程 序作 為 評 價 計 算 機 性 能 的 標 準 程 序 。 稱 為 基 準 測 試程 序 (benchmark)。w 用 于 桌 面 機

66、的 benchmarksw 用 于 服 務 器 的 benchmarksw 用 于 嵌 入 式 計 算 機 的 benchmarks Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 基 準 測 試 程 序 桌 面 機 應 具 有 的 主 要 特 性 ： 。SPEC（ www.spec.org） 是 常 用 的benchmarks ， 這 些 benchmarks可 分 為 兩 大 類 ：和 。 SPEC CPU2000（ 表 ， 測 試 實 例 ） 。 SPECviewperf和 SPECapc。 7 之 1 Computer Architecture V3 同 濟 大 學 .電 子 與 信 息 工 程 學 院 .計 算 機 科 學 與 技 術 系 本 章 內 容 評 價 標 準 性 能 基 準 測 試 程 序 用 于 桌 面 機 的 benchmarks SPEC（ System Performance Evaluation Cooperative）