并行计算机体系结构

1、1 并行计算机体系结构 2021/2/21 2 一、课程目标一、课程目标 1.1.并行性理论的研究并行性理论的研究 并行计算机系统模型与并行计算机系统模型与体系结构体系结构; ; 并行程序设计模型与通信并行程序设计模型与通信模型模型; ; 并行计算机性能评测方法并行计算机性能评测方法; ; 可扩展性原理及实现方法。可扩展性原理及实现方法。 2.2.并行技术和结构的研究并行技术和结构的研究 微处理器并行微处理器并行技术技术; ; 互连网络互连网络技术技术; ; 共享存储技术及体系结构共享存储技术及体系结构; ; 分布存储技术与可扩展体系结构分布存储技术与可扩展体系结构; ; 通信时延包容技术。通

2、信时延包容技术。 2021/2/21 3 二、参考教材二、参考教材 1 1、并行计算机、并行计算机体系结构体系结构, ,陈陈国良等国良等著著, ,高等教育高等教育出版社出版社, , ISBN 7-04ISBN 7-0411558-111558-1, ,2002.92002.9 2 2、并行计算机体系结构、并行计算机体系结构, ,David E.CullerDavid E.Culler等著等著, ,李晓明等译李晓明等译, ,机机 械工业出版社械工业出版社, ,ISBN 7-111-07888-8ISBN 7-111-07888-8, ,2002.102002.10 3 3、可扩展并行计算、可扩展

3、并行计算技术、结构与编程技术、结构与编程, ,黄铠、徐志伟著黄铠、徐志伟著,陆鑫陆鑫 达达等译等译,机械工业出版社机械工业出版社, ,2000.52000.5 4 4、计算机系统结构、计算机系统结构一种定量的方法一种定量的方法( (第第5 5版版) ),John L. John L. HennessyHennessy等著等著, ,郑纬民等译郑纬民等译,清华大学出版社清华大学出版社,2002.82002.8 5 5、计算机系统结构、计算机系统结构( (第二版第二版) ),郑纬民、汤志忠著郑纬民、汤志忠著,清华大学出版清华大学出版 社社, ,1998.91998.9 2021/2/21 4 第一章

4、第一章 系统结构设计基础系统结构设计基础 2021/2/21 5 第一节第一节 计算机系统结构概念计算机系统结构概念 一、一、计算机系统结构概念计算机系统结构概念 1 1、计算机系统层次结构、计算机系统层次结构 软硬件软硬件 交界面交界面 L6L6：应用语言级：应用语言级 L5L5：高级语言级：高级语言级 L4L4：汇编语言级：汇编语言级 L3L3：操作系统级：操作系统级 L2L2：机器语言级：机器语言级 L1L1：微程序机器级：微程序机器级 L0L0：电子：电子线路线路 硬件硬件 固件固件 软件软件 虚拟机器虚拟机器实际机器实际机器 翻译（应用程序包）翻译（应用程序包） 翻译（编译程序）翻译

5、（编译程序） 翻译（汇编程序）翻译（汇编程序） 解释解释 硬件直接执行硬件直接执行 部分解释部分解释 计算机语言实现技术计算机语言实现技术 回下 页 2021/2/21 6 2 2、计算机系统设计方法、计算机系统设计方法 (1)(1)由上向下方法由上向下方法 从软件到从软件到硬件硬件, ,适合适合专用机的设计专用机的设计 结果结果: :形成形成软、硬脱节软、硬脱节 (2)(2)由下向上方法由下向上方法 从硬件到从硬件到软件软件, ,适合适合通用机的设计通用机的设计 结果结果: :形成形成软、硬脱节软、硬脱节 (3)(3)从中间开始方法从中间开始方法 从从软、硬件交界面软、硬件交界面开始设计开始

6、设计 要求要求: :不断不断进行交互、优化设计进行交互、优化设计 需要较好的评价工具和方法需要较好的评价工具和方法 转上 页 2021/2/21 7 3 3、系统结构定义、系统结构定义 * *精确精确定义定义: :机器语言机器语言程序员、编译程序编写者程序员、编译程序编写者所看到的计算所看到的计算 机的机的属性属性, ,即即概念性结构和功能特性概念性结构和功能特性 概念性结构概念性结构系统的软、硬件功能系统的软、硬件功能界面界面; ; 功能特性功能特性界面的功能界面的功能分配分配, ,即即界面的接口或组织界面的接口或组织 * *实质实质: :研究研究软硬件软硬件之间的界面定义之间的界面定义及及

7、其上下的功能分配其上下的功能分配 * *基本基本定义定义: :程序员程序员所看到的计算机的所看到的计算机的属性属性 * *研究研究内容内容: :数据数据表示、寻址方式、表示、寻址方式、指令系统指令系统, ,寄存器寄存器组织组织; ; 存储系统存储系统; ; 中断机构、中断机构、I/OI/O结构结构; ; 机器工作状态定义和切换、信息保护机器工作状态定义和切换、信息保护 回下 页 2021/2/21 8 CPUCPU 键盘接口键盘接口 键盘键盘 显卡显卡 显示器显示器 MEMMEM 磁盘接口磁盘接口 磁盘磁盘 机器语言级机器语言级 机器机器 输入设备触发程序执行输入设备触发程序执行 指令系统指令

8、系统 程序员看到程序员看到 的属性的属性 信息保护信息保护 机器状态机器状态 存储系统存储系统 I/OI/O系统系统中断系统中断系统 计算机系统结构包含内容示意图计算机系统结构包含内容示意图 进程管理程序进程管理程序 作业管理程序作业管理程序文件管理程序文件管理程序 存储管理程序存储管理程序 设备管理程序设备管理程序 信息保护信息保护 操作系统级操作系统级 机器机器 注：注： 作业管理作业管理 包含用户界包含用户界 面面功能功能 转上 页 2021/2/21 9 计算机组成包含内容计算机组成包含内容数据通路宽度、专用部件设计、数据通路宽度、专用部件设计、 各种各种OSOS共享程度、功能部件并行

9、度、控制机构组成方式、排队共享程度、功能部件并行度、控制机构组成方式、排队 与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等 * *系统结构、计算机组成、物理实现三者系统结构、计算机组成、物理实现三者关系关系: : 1 1 : n: n 1 1 : : m m 系统结构系统结构 计算机组成计算机组成 物理实现物理实现 * *计算机组计算机组成成: : 定义定义计算机系统设计人员计算机系统设计人员看到的基本属性看到的基本属性 实质实质是系统结构的是系统结构的逻辑实现逻辑实现 2021/2/21 10 4 4、计算机系统结构设计步骤、计算机系统结构设计步骤 (1)(

10、1)需求分析需求分析 在应用环境、所用语言种类及特性、对在应用环境、所用语言种类及特性、对OSOS的特殊要求、所的特殊要求、所 用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面进行分析用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面进行分析 (2)(2)需求说明需求说明 形成形成、功能说明、器件性能说明、功能说明、器件性能说明等需求等需求 (3)(3)概念性设计概念性设计 进行软、硬件进行软、硬件功能分析功能分析, ,确定确定机器级界面机器级界面 (4)(4)具体设计具体设计 机器级界面各方面的确切机器级界面各方面的确切定义定义, ,可可考虑几种方案考虑几种方案 (5)(5)反复进行评价及优化设计反复进行评价

11、及优化设计 2021/2/21 11 5 5、并行并行体系结构体系结构 * *并行计算机并行计算机: :是是一组相互通信、相互一组相互通信、相互协作的处理单元协作的处理单元, , 用以快速求解大型问题用以快速求解大型问题 总线或互连网络总线或互连网络 S M S M S M LM MB NIC P/C LM MB NIC P/C 互连网络互连网络 LM MB NIC Bridge P/C IOB NIC LM MB NIC Bridge P/C IOB NIC 2021/2/21 12 * *并行并行体系结构体系结构: : 由宏体系结构、微体系结构两部分组成由宏体系结构、微体系结构两部分组成

12、微体系结构微体系结构节点内部结构节点内部结构, ,主要为处理器主要为处理器及其壳的及其壳的结构结构 宏体系结构宏体系结构并行计算机的整体结构并行计算机的整体结构, ,包括包括节点间互连、节点间互连、 通信、存储器访问等方面通信、存储器访问等方面 * *并行并行体系结构研究体系结构研究内容内容: : 互互 连连结构模型、互连网络结构模型、互连网络 存储器存储器访存模型、访存模型、一致性模型一致性模型(Cache/(Cache/存储存储) ) 交交 互互编程模型、编程模型、通信机构、同步机构通信机构、同步机构 2021/2/21 13 二、二、计算机系统结构分类计算机系统结构分类 1 1、Flyn

13、nFlynn分类法分类法 * *分类分类原理原理: :按按指令流和数据流的多倍性指令流和数据流的多倍性进行分类进行分类 * *结构结构种类种类: :SISD,SIMD,MISDSISD,SIMD,MISD, ,MIMDMIMD SISD CUMM IS IS PU DS SIMD CU MMm DS 1 IS IS MM1 PUn DS n PU1 MISD DSIS1IS1 ISn DSISn MMm MM1PU1 PU1 CU1 CU1 MIMD DS 1 IS1IS1 ISn DS n ISn MMm MM1PU1 PU1 CU1 CU1 * *缺点缺点: :对对流水线处理机的分类不明确

14、流水线处理机的分类不明确 2021/2/21 14 2 2、HandlerHandler分类法分类法 * *分类分类原理原理: :在在三个三个层次层次,按按并行程度及并行程度及流水处理流水处理程度分类程度分类 层次层次 PCUPCU（程序控制部件或（程序控制部件或宏流水宏流水） K K级级 ALUALU（算术逻辑部件（算术逻辑部件或指令流水或指令流水） D D级级 ELCELC（基本逻辑线路或（基本逻辑线路或操作流水操作流水） W W级级 描述描述 T(C) T(C)K 其中其中:K:K为为PCUPCU数、数、K K为宏流水级数为宏流水级数(PCU(PCU数数) ), , D D为每个为每个P

15、CUPCU中中ALUALU数、数、D D为指令流水级数为指令流水级数(ALU(ALU数数) ), , W W为为ALUALU或或PEPE字长字长, ,W W为操作流水线级数为操作流水线级数(ELC(ELC套数套数) ) * *特点特点: :对对并行及流水线的程度有清晰的描述并行及流水线的程度有清晰的描述 注注: :流水属并行的一种流水属并行的一种类型类型, ,但有所不同但有所不同; ; 并行程度越并行程度越好好, ,性能性能越高越高 2021/2/21 15 3 3、冯氏冯氏分类法分类法 * *分类分类原理原理: :按照按照系统的最大并行程度进行分类系统的最大并行程度进行分类 * *最大最大并

16、行度并行度: :单位单位时间内能处理的最大二进制位数时间内能处理的最大二进制位数 即即 P Pm m= =位片宽位片宽字宽字宽 位片宽位片宽 字宽字宽 SISD SIMD（MPP） SIMD MIMD 1 m n 1mn 2021/2/21 16 4 4、按控制方式按控制方式分类分类 * *分类分类原理原理: :按按程序执行的控制方式分类程序执行的控制方式分类 * *分类分类结果结果: :共有共有4 4种种 控制流方式控制流方式指令按逻辑顺序指令按逻辑顺序执行执行( (如冯如冯诺依曼模型诺依曼模型);); 数据流方式数据流方式只要操作数只要操作数到位到位, ,指令指令即可即可执行执行, , 无

17、序执行无序执行(, ,源源目的求解过程目的求解过程);); 规约方式规约方式当需要该指令结果当需要该指令结果时时, ,该该指令才会指令才会执行执行, , 无序执行无序执行(, ,目的目的源源目的求解过程目的求解过程);); 匹配方式匹配方式由谓词模式匹配驱动指令的由谓词模式匹配驱动指令的执行执行, , 适合非数值型数据适合非数值型数据应用应用, ,常用常用于智能型计算机于智能型计算机 * *特点特点: :除除控制流方式控制流方式外外, ,其它其它的并行程度较好的并行程度较好 2021/2/21 17 第二节第二节 系统设计的定量原理系统设计的定量原理 一、大概率事件优先原则一、大概率事件优先原

18、则 * *基本基本思想思想: :对对大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权, , 以获得全局的最优结果以获得全局的最优结果 该原则是系统设计中该原则是系统设计中最重要最重要和和最常用最常用的原则的原则 * *应用应用举例举例: : 指令系统指令系统指令操作码采用霍夫曼指令操作码采用霍夫曼编码编码; ; 溢出处理溢出处理优化不溢出情况的优化不溢出情况的处理处理; ; 存储系统存储系统层次结构使高频使用数据存取速度更层次结构使高频使用数据存取速度更快快, , 虚拟存储器的虚拟存储器的TLBTLB用高速芯片组成用高速芯片组成 2021/2/21 18 二、二、A

19、mdahlAmdahl定律定律 * *基本基本思想思想: :优化优化某部件所获得的系统性能的改善某部件所获得的系统性能的改善程度程度, ,取决取决 于于该部件被使用的该部件被使用的频率频率, ,或或所占总执行时间的比例所占总执行时间的比例 e r e f e ef T T p S )1( 10 * *应用应用: :使用使用该定律可改善该定律可改善“系统瓶颈系统瓶颈”性能性能 * *举例举例: :某某功能处理时间占系统时间的功能处理时间占系统时间的4040%,%,将将其处理速度加快其处理速度加快 1010倍倍后后, ,整个整个系统性能提高系统性能提高多少多少? ? 解解已知已知f fe e=0.

20、4,r=0.4,re e=10,=10,利用利用 AmdahlAmdahl定律定律, ,则则 S Sp p=1.56=1.56 0.00.51. 0 f e Sp 10 1 5 r re e=10=10时时S Sp p和和f fe e的关系如右的关系如右图图: : 方法方法若改善某部件性能若改善某部件性能后后, ,系统性能系统性能急剧急剧提高提高, , 则该部件为则该部件为“系统瓶颈系统瓶颈” 2021/2/21 19 三、程序访问的局部性原理三、程序访问的局部性原理 * *基本基本思想思想: :程序程序执行执行时时, ,呈现呈现出频繁重复使用那些出频繁重复使用那些“簇聚簇聚” 的数据和指令的

21、的数据和指令的规律规律, ,包含包含时间局部性和空间局部性时间局部性和空间局部性 时间局部性时间局部性- 近期被访问的近期被访问的信息信息, ,可能可能马上被访问马上被访问 空间局部性空间局部性- 与被访问地址相邻的信息可能会一起被访问与被访问地址相邻的信息可能会一起被访问 * *应用应用: :层次层次存储体系设计存储体系设计 2021/2/21 20 四、软硬件取舍原则四、软硬件取舍原则 1 1、现有软硬件条件现有软硬件条件下下, ,所所选选方法应有助于方法应有助于提高系统的性能提高系统的性能/ /价格价格 例例: : 2 2、所选、所选方法应尽量方法应尽量不限制计算机组成和实现技术不限制计

22、算机组成和实现技术 例例: :数据数据表示设计不应限制数据宽度与之表示设计不应限制数据宽度与之一一对应一一对应; ; 主存容量设计不应限制是否采用多体交叉存储器等主存容量设计不应限制是否采用多体交叉存储器等 3 3、所选、所选方法应能够方法应能够对编译程序和操作系统的实现提供好的支持对编译程序和操作系统的实现提供好的支持 例例: :指令系统指令系统中增加中增加OSOS所需所需指令指令; ; 根据编译要求设置一定数量通用寄存器等根据编译要求设置一定数量通用寄存器等 研制费用研制费用生产费用生产费用产品费用产品费用 硬件方法硬件方法D Dh hM Mh hD Dh h/V+M/V+Mh h 软件方

23、法软件方法C CD Ds sR RM Ms sC CD Ds s/V+R/V+RM Ms s 说明说明: :VV设备数量设备数量, ,CC重复设计次数重复设计次数, ,RR复制次数复制次数 2021/2/21 21 第三节第三节 计算机系统性能评价计算机系统性能评价 一、计算机系统性能一、计算机系统性能 * *计算机计算机性能性能:正确性正确性、可靠性和工作能力、可靠性和工作能力 响应时间响应时间指任务从输入到结果输出的所有指任务从输入到结果输出的所有时间时间, , 反映反映CPUCPU、I/OI/O系统及系统及OSOS等的总体等的总体性能性能; ; 正确性正确性: :与与数学计算结果数学计算

24、结果比较比较, ,通常通常认为是正确的认为是正确的 可靠性可靠性: :用用平均无故障时间平均无故障时间表示表示, ,通常通常认为是可靠的认为是可靠的 工作能力工作能力: :即系统的速度即系统的速度, ,通常用程序执行时间通常用程序执行时间表示表示; ; 可分为峰值性能和持续性能可分为峰值性能和持续性能 吞吐率吞吐率指单位时间内能处理的作业或任务指单位时间内能处理的作业或任务数量数量, , 反映系统的多任务处理性能反映系统的多任务处理性能 2021/2/21 22 1 1、响应时间、响应时间 响应时间指一个任务从输入到输出的总时间响应时间指一个任务从输入到输出的总时间 T T响应 响应 T TC

25、PU CPU T T系统 系统CPUCPU T T用户 用户CPUCPU I IN NCPICPIT TC C CPI CPI包含包含ALUALU、访问、访问MEMMEM及及I/OI/O的时间的时间( (含等待时间含等待时间) ) 性能因子性能因子 系统属性系统属性 I IN Np pm mk kT TC C 指令系统结构指令系统结构 编译技术编译技术 PEPE实现与控制技术实现与控制技术 CacheCache和内存层次结构和内存层次结构 * *特点特点: :能够能够反映软硬件系统的反映软硬件系统的总体总体性能性能, ,但但不易测量不易测量 * *影响影响T TCPU CPU的因素 的因素:

26、: T TCPU CPU I IN NCPICPIT TC CI IN N(p(pm mk)k)T TC C 其中其中 pp处理周期数处理周期数/ /指令指令,m,m访存次数访存次数/ /指令指令,k,k访存时延访存时延 2021/2/21 23 2 2、吞吐率、吞吐率 * *定义定义: :指指单位时间内能够处理作业单位时间内能够处理作业( (或任务或任务) )的数量的数量 吞吐率吞吐率 = n nn n个任务总时间个任务总时间 * *常用常用标准标准: :对对作业作业( (或任务或任务) )的定义无法统一的定义无法统一 MIPS( MIPS(每秒百万次指令每秒百万次指令)-)- 66 C 6

27、 10CPI10TCPI 1 10 MIPS 时钟频率 程序执行时间 程序中指令条数 MIPSMIPS不能反映指令功能不能反映指令功能强弱强弱, ,常用常用相对相对MIPSMIPS表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百万次浮点运算每秒百万次浮点运算) 6 10 MFLOPS 程序执行时间 程序中浮点操作次数 不同操作不同操作通过正则化方法实现通过正则化方法实现关联关联, , MFLOPSMFLOPS只能反映浮点操作能力只能反映浮点操作能力 2021/2/21 24 3 3、利用率、利用率 * *定义定义: :利用率利用率持续性能持续性能峰值性能峰值性能 * *特点特点: :不不直接表示

28、直接表示系统性能系统性能, ,与与前两种指标有密切前两种指标有密切关系关系; ; 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用作用! ! * *提高吞吐率提高吞吐率方法方法: : 流水化流水化-使多个作业流使多个作业流水处理水处理; ; 并行处理并行处理-给每个给每个PEPE分配分配多个多个作业作业, ,各各PEPE相互相互协调协调 * *特点特点: :吞吐率吞吐率与与I/OI/O软硬件组织方式及软硬件组织方式及OSOS有很大有很大关系关系; ; 能够反映能够反映软硬件系统软硬件系统对对多任务多任务的响应能力的响应能力 2021/2/21 25 4 4、系统

29、可扩放性、系统可扩放性 常用于评价多机系统的并行处理能力常用于评价多机系统的并行处理能力 ),(),( )1 ,( ),( nphnpT pT npS 其中其中 p-问题问题规模规模, ,n- - -处理器处理器数量数量, ,h- - -通信时间通信时间 衡量方法衡量方法-测量不同测量不同n时的时的加速比加速比, , 得到性能可扩放性曲线得到性能可扩放性曲线 * *性能性能加速比加速比: :多多机系统相对于单机系统性能提高的比例机系统相对于单机系统性能提高的比例 * *系统可扩放系统可扩放性性: :系统性能系统性能随处理机数随处理机数n增加而增长的比例增加而增长的比例 =fS(n) 影响因素影

30、响因素结构、处理器数、问题规模、存储系统等结构、处理器数、问题规模、存储系统等 S S n n 1 1 B B系统系统 A A系统系统 2021/2/21 26 二、性能评价与比较二、性能评价与比较 1 1、评价技术、评价技术 (1)(1)分析技术分析技术 * *思路思路: :在在一定假设条件一定假设条件下下, ,计算机系统计算机系统参数与参数与性能指标间性能指标间存存 在着某种函数在着某种函数关系关系, ,按按其工作负载的驱动条件列出方程其工作负载的驱动条件列出方程, ,用数学用数学 方法求解后评价方法求解后评价 * *发展发展: :从从脱离实际的假设发展到近似求解脱离实际的假设发展到近似求

31、解 近似求解算法近似求解算法聚合法、均值分析法、扩散法等聚合法、均值分析法、扩散法等 * *应用应用: :可可应用于应用于设计中系统设计中系统的分析与评价的分析与评价 回下 页 例例A A机执行的程序中有机执行的程序中有20%20%转移指令转移指令( (需需2T2TC C),),转移指令转移指令都需都需 要一条比较指令要一条比较指令( (需需1T1TC C) )配合配合, ,其他其他指令均为指令均为1T1TC C。B B机中机中转移指令转移指令 包含包含比较比较指令功能指令功能, ,但但T TC C比比A A机慢机慢15%15%。执行。执行该程序时该程序时, ,A A机、机、B B机哪机哪 个

32、个工作速度工作速度快快? ? 2021/2/21 27 (2)(2)模拟技术模拟技术 * *思路思路: :建立模拟器建立模拟器, ,模拟系统模拟系统性能模型和工作负载性能模型和工作负载模型模型, ,对对运运 行后的数据进行统计、分析和评价行后的数据进行统计、分析和评价 * *方法方法: : 按被评价系统的运行特性建立按被评价系统的运行特性建立系统模型系统模型; ; 按系统可能有的工作负载特性建立按系统可能有的工作负载特性建立工作负载工作负载模型模型; ; 用语言编写用语言编写模拟程序模拟程序, ,模仿模仿被评价系统的被评价系统的运行运行; ; 设计设计模拟实验模拟实验, ,依照依照评价目标评价

33、目标, ,选择与目标有关因素选择与目标有关因素, ,得出得出 实验值实验值, ,再再进行统计、分析进行统计、分析 * *应用应用:可可应用于应用于设计中或实际应用中系统设计中或实际应用中系统的分析与的分析与评价评价; 可与分析技术相可与分析技术相结合结合,构成构成一个混合系统一个混合系统 转上 页 2021/2/21 28 (3)(3)测量技术测量技术 * *思路思路: :通常通常采用基准测试程序对系统进行实际性能评价采用基准测试程序对系统进行实际性能评价 * *基准测试基准测试程序程序: : 有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次 第一个

34、层次第一个层次用于测试系统总体用于测试系统总体性能性能; ; 后两个层次后两个层次-用于测试部件用于测试部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系统等系统等) )性能性能 基准测试程序基准测试程序具有三个层次的具有三个层次的测试程序测试程序组组, ,典型典型的有的有 SPECSPEC程序程序组组, ,包含测试包含测试多多个领域个领域、三个层次的测试程序、三个层次的测试程序 * *应用应用: :只能只能应用于应用于实际使用中系统实际使用中系统的分析与的分析与评价评价; ; 通常根据系统的设计需求通常根据系统的设计需求( (应用领域应用领域) )选择基准测试选择基准测试 程序组中的程序组中的部分测

35、试程序部分测试程序进行测量进行测量 2021/2/21 29 2 2、比较技术比较技术 * *目的目的: :根据多种测试结果根据多种测试结果, ,比较比较不同系统的优劣不同系统的优劣 * *方法方法: :算术平均算术平均、几何平均、调和平均方法、几何平均、调和平均方法 (1)(1)算术平均方法算术平均方法 n i Tn n i inm i RA 1 11 1 1 基准测基准测 试程序试程序 处理机处理机 XYZ B120(1.00) 10(0.50) 40(2.00) B240(1.00) 80(2.00) 20(0.50) Am (1.00)(1.25)(1.25) 基准测基准测 试程序试程

36、序 处理机处理机 XYZ B120(2.00) 10(1.00) 40(4.00) B240(0.50) 80(1.00) 20(0.25) Am (1.25)(1.00)(2.13) * *特性特性: :选择选择不同的参考不同的参考机机, ,Am结论不同结论不同 回下 页 2021/2/21 30 (2)(2)几何平均方法几何平均方法 n n i T n n i im i RG)()( 1 1 1 基准测基准测 试程序试程序 处理机处理机 XYZ B120(1.00) 10(0.50) 40(2.00) B240(1.00) 80(2.00) 20(0.50) Gm (1.00)(1.00)

37、(1.00) 特性特性:Gm性能与参考计算机性能无关性能与参考计算机性能无关 依据依据Gm(Xi)/Gm(Yi)=Gm(Xi/Yi) 基准测基准测 试程序试程序 处理机处理机 XYZ B120(2.00) 10(1.00) 40(4.00) B240(0.50) 80(1.00) 20(0.25) Gm (1.00)(1.00)(1.00) (3)(3)调和平均方法调和平均方法 n n i i n i i R TT n T nn m H . 1 11 1 特性特性: :H Hm m最接近最接近CPUCPU的实际性能的实际性能 依据依据H Hm m与所有测试程序时间总和成反比关系与所有测试程序时

38、间总和成反比关系 转上 页 2021/2/21 31 一、一、影响影响计算机系统结构发展因素计算机系统结构发展因素 1 1、软件对系统结构发展的影响、软件对系统结构发展的影响 * *影响因素影响因素: :软件可移植性软件可移植性 (1)(1)系列机系列机 * *思想思想: :具有具有相同系统结构或扩充原系统相同系统结构或扩充原系统结构结构, ,组成组成或实现技或实现技 术术不同不同, ,来来实现软件可移植性实现软件可移植性 * *影响影响一一: :新新的组成与实现技术很快得到应用的组成与实现技术很快得到应用, ,大量兼容产品大量兼容产品 的出现的出现, ,推动推动了系统结构的发展了系统结构的发

39、展 系列机要求系列机要求保证向后保证向后兼容兼容, , 力争向上兼容力争向上兼容 时间时间 机器档次机器档次 当前机器当前机器向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 高高 低低 向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 * *影响影响二二: :要求要求系统结构基本系统结构基本不变不变, 限制限制了系统结构的发展了系统结构的发展 回下 页 第四节第四节 系统系统结构的结构的发展发展 2021/2/21 32 (2)(2)模拟与仿真模拟与仿真 * *模拟模拟: :用用机器语言机器语言解释来实现软件移植解释来实现软件移植 需模拟目标机指令系统、存储系统、需模拟目标机指令系统、存储系统、I/OI/O系统、系统、O

40、SOS等的操作等的操作 * *仿真仿真: :用用微程序微程序直接解释另一种指令系统直接解释另一种指令系统 需解释目标机需解释目标机I/OI/O系统、系统、OSOS等的操作等的操作 * *比较比较: :解释程序解释程序存放位置、是否有硬件参与方面存放位置、是否有硬件参与方面不同不同; ; 在解释指令系统、存储系统、在解释指令系统、存储系统、I/OI/O系统、系统、OSOS方面相同方面相同 (3)(3)统一高级语言方法统一高级语言方法 存在一定的存在一定的困难困难, ,可可争取汇编语言或接口争取汇编语言或接口/ /技术的统一技术的统一 * *方案方案1:1:采用采用统一的中间语言统一的中间语言(

41、(如如JavaJava),),通过通过解释执行以适应解释执行以适应 不同的系统结构不同的系统结构 * *方案方案2:2:采用采用标准的标准的开放系统开放系统( (具有可移植性、交互操作性具有可移植性、交互操作性),),用用 硬件抽象层技术硬件抽象层技术适应不同的系统结构适应不同的系统结构 转上 页 2021/2/21 33 2 2、应用对系统结构发展的影响、应用对系统结构发展的影响 * *应用应用背景背景: :应用应用领域、功能及性能要求有所不同领域、功能及性能要求有所不同 * *应用应用需求需求: :高速度高速度、大容量、大吞吐率、大容量、大吞吐率 * *系统结构设计系统结构设计思路思路:

42、: 分成不同级别的分成不同级别的系统系统, ,以以提高性能提高性能/ /价格价格 巨、大型机巨、大型机研究专用系统结构、组成研究专用系统结构、组成技术技术 其它型机其它型机研究通用系统结构研究通用系统结构( (吸纳先进结构与技术吸纳先进结构与技术) ) * *系统结构发展系统结构发展趋势趋势: : 保持价格基本保持价格基本不变不变, ,提高性能提高性能 保持性能基本保持性能基本不变不变, ,降低降低价格价格 价格价格 时间时间 等性能线等性能线 巨型机巨型机 大型机大型机 中、小型机中、小型机 微型机微型机 * *对系统结构对系统结构影响影响: : 专用专用系统结构系统结构无限制无限制( (应用是原动力应用是原动力) ) 通用通用系统结构系统结构如何有效实现专用结构如何有效实现专用结构通用结构通用结构 2021/2/21 34 3 3、器件对系统结构发展的影响、器件对系统结构发展的影响 * *器件使用器件使用方法方法: 通用片通用片现场现场片片半用户片半用户片用户片用户片 * *对系统结构对系统结构影响影响: : 器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展 如如器件性能、使用方法影响系统结构及组成器件性能、使用方法影响系统结构