计算机系统结构第1章

1、1 计算机系统结构计算机系统结构 主讲：主讲：任国林任国林 EmailEmail： 2 引引 言言 一、一、计算机系统的性能与结构计算机系统的性能与结构 1 1、计算机系统性能、计算机系统性能 * *系统性能：系统性能：指指在在计算机硬件计算机硬件上上运行的运行的计算机软件计算机软件的性能的性能 思考思考-我买我买计算机计算机时，关注什么？可以获得哪些数据？时，关注什么？可以获得哪些数据？ * *性能指标：性能指标： 处理处理能力能力响应时间、响应时间、吞吐率吞吐率(MIPS(MIPS或或MFLOPS)MFLOPS)等等 其它能力其它能力正确性、兼容性、正确性、兼容性、RASRAS( (可靠性

2、可靠性/ /可用性可用性/ /可维护性可维护性) )等等 思考：思考：参数参数( (主频主频/ /主存容量主存容量/FSB/FSB频率频率/ /显卡显卡) )与处理能力关系？与处理能力关系？ 思考：思考：品牌与其它能力关系？品牌与其它能力关系？ 思考：思考：我选择机型及品牌时，如何决策？我选择机型及品牌时，如何决策？ 3 联想联想G40-80（i5 5200U） CPUCPU系列系列IntelIntel酷睿酷睿i5 5i5 5代代内存容量内存容量4GB4GB（4GB4GB1 1） CPUCPU型号型号Intel Intel 酷睿酷睿i5 5200Ui5 5200U内存类型内存类型DDR3DDR

3、3 CPUCPU主频主频2.2GHz2.2GHz插槽数量插槽数量2 2SO-DIMM SO-DIMM ( (/ /DIMM)DIMM) 最高睿频最高睿频2700MHz2700MHz最大内存容量最大内存容量 16GB16GB 三级缓存三级缓存4MB4MB硬盘容量硬盘容量500GB 500GB (+(+固态固态HDHD) ) 总线规格总线规格DMI DMI 5GT/s5GT/s显卡芯片显卡芯片AMD AMD RadeonRadeon R5 M230 R5 M230 核心架构核心架构Broad wellBroad well显存容量显存容量2GB2GB 核心核心/ /线程数线程数双核心双核心/ /四线

4、程四线程显存类型显存类型DDR3DDR3 制程工艺制程工艺14nm14nm显存位宽显存位宽64bit64bit 指令集指令集AVX2AVX2，64bit64bit流处理器数量流处理器数量 320320 功耗功耗15W15WDirect XDirect X11.211.2 I/OI/O接口接口USBUSB、VGAVGA、HDMIHDMI、RJ45 RJ45 ( (内部内部PCI-E/S-ATA)PCI-E/S-ATA) 计算机硬件参数计算机硬件参数 DMIDMI直接媒体接口直接媒体接口( (Direct Media Interface) )，GT/sGT/s千兆次传输千兆次传输/ /秒秒 AVX

5、AVX高级矢量扩展高级矢量扩展( (Advanced Vector Extensions)，是是SSE(SSE(流式流式SIMDSIMD扩展扩展) )的扩展的扩展 4 2 2、计算机系统计算机系统结构结构 * *计算机计算机换代换代标志：标志：器件、技术、结构等的飞跃器件、技术、结构等的飞跃 * *系统效率与结构关联：系统效率与结构关联： 系统系统效率效率 器件器件效率效率结构结构效率效率 例：例：1965196519751975年，系统效率提高年，系统效率提高100100倍，器件速度仅提高倍，器件速度仅提高1010倍；倍； Pentium-Pentium-200200、P-P-233233的

6、的iCOMPiCOMP 2.0 2.0分别为分别为142142、267267 ( (iCOMPiCOMPintel COmparative Microprocessor Performance，Intel微处理器性能比较指数微处理器性能比较指数) ) * *系统结构研究内容：系统结构研究内容： 划分软划分软/ /硬件功能界面，研究新的硬件功能界面，研究新的结构与技术结构与技术 思考思考-我设计某计算机系统时，如何划分软我设计某计算机系统时，如何划分软/ /硬件界面？硬件界面？ 如何组织硬件功能？如何评价所设计方案？如何组织硬件功能？如何评价所设计方案？ （本课程的主要内容）（本课程的主要内容）

7、 5 二、课程目标二、课程目标 1、课程目标、课程目标 (1)(1)计算机系统结构的研究计算机系统结构的研究 掌握系统结构掌握系统结构的概念、内容的概念、内容及设计原理；及设计原理； 掌握系统结构相关内容的技术、分析及优化设计方法；掌握系统结构相关内容的技术、分析及优化设计方法； 了解系统结构的性能设计原理及最新了解系统结构的性能设计原理及最新技术技术 (2)(2)计算机并行处理技术的研究计算机并行处理技术的研究 流水线技术的分析及设计；流水线技术的分析及设计； 互连网络互连网络技术分析；技术分析； 并行处理机及多处理机技术并行处理机及多处理机技术分析分析 6 2 2、课程学习方法、课程学习方

8、法 (1)(1)从从系统设计者系统设计者角度，角度，分析和评价系统分析和评价系统结构结构 掌握系统结构相关内容对系统性能的掌握系统结构相关内容对系统性能的影响影响； 掌握系统结构相关内容的掌握系统结构相关内容的性能分析方法性能分析方法 (2)(2)通过通过剖析剖析PCPC机相关机相关技术技术，掌握系统结构设计，掌握系统结构设计方法方法 掌握系统结构基本内容的掌握系统结构基本内容的相关技术相关技术及及设计方法设计方法； 掌握系统结构掌握系统结构优化设计优化设计及及并行处理技术并行处理技术 系统系统结构的分析、设计和优化结构的分析、设计和优化方法方法是本课程的重点！是本课程的重点！ 3 3、参考教

9、材、参考教材 1计算机系统结构教程计算机系统结构教程( (第第3 3版版) )，张晨曦等张晨曦等，清华大学出版社，清华大学出版社 2计算机系统结构：一种定量的方法计算机系统结构：一种定量的方法( (第第2 2版版) )，郑纬民郑纬民等译，等译， 清华大学出版社清华大学出版社 7 第一章第一章 系统结构基础系统结构基础 8 第第1 1节节 系统结构的基本概念系统结构的基本概念 一、一、计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 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

10、：机器语言级：机器语言级 L1L1：微程序机器级：微程序机器级 L0L0：电子线路：电子线路 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（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 9 二、二、计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路 * *由由上向下上向下方法：方法：软件软件硬件硬件，适合专用机的，适合专用机的设计设计 特点特点周期长周期长( (好几年好几年) )，忌，忌需求变化需求变化， 不能利用不能利用最新软件技术最

11、新软件技术 形成软、硬脱节形成软、硬脱节 * *由由下向上下向上方法：方法：硬件硬件软件软件，适合通用机的设计，适合通用机的设计 特点特点周期长周期长( (好几年好几年) )，不能利用，不能利用最新硬件技术最新硬件技术， 软件效率软件效率低低 形成形成软、硬脱节软、硬脱节 * *从从中间开始中间开始方法：方法：首先设计软首先设计软/ /硬件交界面硬件交界面 特点特点周期短周期短( (约约1/2)1/2)，能够利用能够利用最新软、硬件技术最新软、硬件技术 主流设计方法主流设计方法 要求要求不断不断进行交互、优化进行交互、优化设计设计 需好的需好的评价评价工具及方法工具及方法 设计人员技术要全面设

12、计人员技术要全面 10 三、三、计算机系统计算机系统结构的概念结构的概念 * *问题问题：不同语言层次的程序员，看到的系统不同语言层次的程序员，看到的系统结构不同！结构不同！ 1 1、系统结构定义、系统结构定义 (1)(1)基本定义基本定义 程序员程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性 (2)(2)精确定义精确定义 -Amdahl-Amdahl提出提出 机器语言程序员机器语言程序员或或编译程序编写者编译程序编写者所看到的计算机的所看到的计算机的属性属性 概念性结构概念性结构 功能特性功能特性 系统软系统软、硬件功能、硬件功能界面的组成界面

13、的组成 界面功能的分配或组织界面功能的分配或组织 ( (其上用软件实现、其下用硬件实现其上用软件实现、其下用硬件实现) ) * *实质：实质：研究研究软、硬件间的软、硬件间的界面定义界面定义及及其上下的功能分配其上下的功能分配 11 2 2、系统、系统结构结构的研究内容的研究内容 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 指令系统指令系统 程序员看到程序员看到 的属性的属性 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

14、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：作业管作业管 理含理含用户用户界界 面操作处理面操作处理 输入设备触发程序执行输入设备触发程序执行 回下页回13页 * *相邻两级相邻两级机器的机器的关联：关联： 12 数据数据表示表示硬件能直接识别和处理的硬件能直接识别和处理的数据类型数据类型 寻址方式寻址方式最小寻址单元、最小寻址单元、寻址种类及规则寻址种类及规则( (地址运算地址运算) ) 寄存器寄存器组织组织寄存器的种类、数量和使用方式寄存器的种类、数量和使用方式 指令系统指令系统机器指令的类型、格式，指令间排序及机器指令的类型、格式，指令间排序及控制控制 * *系统结构的

15、研究内容：系统结构的研究内容： 指令系统指令系统 程序员程序员看看 到到的属性的属性 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 存储系统存储系统主存主存编址单位、可编址空间，容量等编址单位、可编址空间，容量等 I/O I/O结构结构I/OI/O设备连接方式、数据设备连接方式、数据传送传送方式及格式、方式及格式、I/OI/O操作操作 状态状态表示表示等等 中断系统中断系统中断的类型、中断响应的硬件功能中断的类型、中断响应的硬件功能等等 机器机器工作状态定义和切换工作状态定义和切换系统态系统态/ /用户态的组织与用户态的组织与管理管理 信息信息保护

16、保护保护方式、硬件支持保护方式、硬件支持等等 转上页 13 转10页 3 3、结构与组成及实现的关系、结构与组成及实现的关系 * *计算计算机组机组成：成：计算机系统计算机系统的设计人员的设计人员看到的基本看到的基本属性属性 研究研究内容内容数据数据通路宽度、专用部件设计通路宽度、专用部件设计、功能部件、功能部件并行度、并行度、 控制机构控制机构组成、组成、排队与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术排队与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等等 实质实质系统结构的逻辑实现系统结构的逻辑实现 （合理实现（合理实现分配给硬件的分配给硬件的功能）功能） * *计算机实现：计算机实现：计算机实现时的基

17、本属性计算机实现时的基本属性 实质实质计算计算机组成的物理机组成的物理实现实现 ( (研究器件与微组装技术研究器件与微组装技术) ) 例例： 系统结构系统结构 计算机组成计算机组成 计算机计算机实现实现 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 芯片机电路芯片机电路 主存系统主存系统 容量、编址方式容量、编址方式 速度、措施速度、措施 器件、电路器件、电路 总线系统总线系统 带宽、时延带宽、时延 线数、传输控制线数、传输控制 介质、线距介质、线距 * *结构、组成、实现的关系结构、组成、实现的关系： 1 : n1 : n 1 : 1 : m m

18、结构结构 组成组成 实现实现 14 四、四、系统结构的分类系统结构的分类 1 1、弗林分类法、弗林分类法 * *分类原理：分类原理：按按指令流指令流和和数据流数据流的的多倍性分类多倍性分类 * *类型：类型：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、点：特点：性能依次提高，性能依次提高，对流水线处理机分类不对流水线处理机分类不明确明确 15 2 2、汉德勒分类法、汉德勒分类法 * *分类原理：分类原理：在在3 3个层次，按个层次，按并行程度及并行程度及流水处理流水处理程度程度分类分类 层次层次 PCUPCU（处理器或宏流水）（处理器或宏流水） K K级级 ALUALU（算逻部件或指令流水）（算逻部件或指令流水） D D级级 BLCBLC（位级电路或操作流水）（位级电路或操作流水） 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) )，K KK K D

20、 D为每个为每个PCUPCU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：对并行及流水线的程度有清晰的描述对并行及流水线的程度有清晰的描述 注：注：流水属并行的一种类型，但有所不同；流水属并行的一种类型，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、按控制方式分类分类 * *分类原理：分类原理：按程序执行的控制方式分类按程序执行的控制方式分类 * *分类结果：分类结果：共有共有4

21、4种类型种类型 控制流控制流方式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) ) 数据流数据流方式方式只要操作数到位，指令即可执行，只要操作数到位，指令即可执行， 指令无序指令无序执行执行(，源，源目的求解过程目的求解过程) ) 规约规约方式方式当需要该指令结果时当需要该指令结果时，指令，指令才会执行，才会执行， 指令无序指令无序执行执行(，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由谓词模式匹配，驱动模式匹配，驱动指令的指令的执行执行 ( (适合适合非数值型数据应用非数值型数据应用，如智能型计算机，如智能型计算机) ) * *特点：特

22、点：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较好程度较好 17 五、五、系统结构的设计步骤系统结构的设计步骤 1 1、需求分析、需求分析 分析范围包括：应用分析范围包括：应用环境、所用语言种类及特性、对环境、所用语言种类及特性、对OSOS的的 特殊要求、所用外设特性、技术经济指标、市场分析特殊要求、所用外设特性、技术经济指标、市场分析等等 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、器件性能说明等等 造价造价/ /可靠性可靠性/ /可扩展性可扩展性/ /兼容性兼容性/ /速度等方面的原则速度等方面的原则 3 3、概念性设计、概念性设计 进行软、硬

23、件功能分析，确定机器级进行软、硬件功能分析，确定机器级界面界面 4 4、具体设计、具体设计 机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种方案方案 5 5、反复进行评价及优化设计、反复进行评价及优化设计 18 第第2 2节节 定量分析基础定量分析基础 一、一、计算机的性能指标计算机的性能指标 回22页 * *计算机的性能计算机的性能：正确性、工作能力、可靠性正确性、工作能力、可靠性 正确性正确性指与数学计算结果的一致性，默认是正确的指与数学计算结果的一致性，默认是正确的 工作能力工作能力指系统的速度，分为峰值性能、持续性能指系统的速度，分为峰值性能、持续性能 响应

24、时间：响应时间：指指任务从输入到结果输出任务从输入到结果输出的的总时间总时间， 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 吞吞 吐吐 率：率：指单位时间内能处理的指单位时间内能处理的作业或任务数量作业或任务数量， 反映系统的多任务处理性能反映系统的多任务处理性能 可靠性可靠性用平均无故障时间用平均无故障时间(MTTF)(MTTF)表示，影响价格表示，影响价格 可用性可用性=MTTF/(MTTF+MTRF)=MTTF/(MTTF+MTRF)，MTRFMTRF为平均修复时间为平均修复时间 19 1 1、响应时间、响应时间 * *定义：定义：指指一个任务从输入到

25、输出的总时间一个任务从输入到输出的总时间 T T响应 响应 T TCPU CPU T T其它 其它， ，T TCPU CPU T T系统 系统CPUCPU T T用户 用户CPUCPU I IN NCPICPIT TC C， CPICPI包含包含ALUALU、访问、访问MEMMEM及及I/OI/O端口时间端口时间 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：能够反映软硬件系统的能够反映软硬件系统的总体性能总体性

26、能，但不易测量，但不易测量 * *影响影响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处理时延处理时延/ /指令，指令，mm访存次数访存次数/ /指令，指令，kk访存时延访存时延 20 2 2、吞吐率、吞吐率 * *定义：定义：指单位时间内能够指单位时间内能够处理的任务数量处理的任务数量 T TP P n nn n个任务总时间个任务总时间 * *常用标准：常用标准：对任务的对任务的定义无法统一定义无法统一 MIPS( MIPS(每秒百万次指令每秒百万次指令)-)- 66 C 6 1

27、0CPI10TCPI 1 10 MIPS 时钟频率 程序执行时间 程序中指令条数 MIPSMIPS不能反映指令功能强弱，常用相对不能反映指令功能强弱，常用相对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 MFLOPS MFLOPS仅仅反映反映浮点操作浮点操作能力，能力，不同不同OPOP用正则化法关联用正则化法关联 * *特点：特点：吞吐率与吞吐率与I/OI/O软硬件软硬件组织、组织、OSOS关系密切；关系密切； 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 2

28、1 4 4、系统可扩放性、系统可扩放性 * *适用范围：适用范围：多多( (处理处理) )机系统的并行处理能力评价机系统的并行处理能力评价 衡量方法衡量方法-测量不同测量不同n时的加速比，时的加速比， 得到性能可扩放性曲线得到性能可扩放性曲线 * *性能加速比性能加速比：系统性能相对系统性能相对于单机于单机系统的提高比例系统的提高比例 S(p,n)=T(p,1)/T(p,n)+h(p,n) 其中，其中，p-问题规模，问题规模，n-处理器数量，处理器数量，h-通信时间通信时间 * *系统可扩放性：系统可扩放性：系统性能随处理机数系统性能随处理机数n n的的增长比例，增长比例，S=f (n) 影响

29、因素影响因素结构、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 3 3、利用率、利用率 * *定义：定义：利用率持续性能利用率持续性能峰值峰值性能性能 * *特点：特点：不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系；不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系； 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！ 22 二、性能评测技术二、性能评测技术 1 1、分析技术、分析技术 * *思路思路：一定假设条件下，系统参数与性能指标间存在函数一定假设条件下，系统参数与性能指标间存在函数

30、 关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用数学方法求解关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用数学方法求解 * *发展发展：用近似求解代替脱离用近似求解代替脱离实际的实际的假设，假设， 算法有聚合算法有聚合法、均值分析法、扩散法等法、均值分析法、扩散法等 * *应用：应用：可应用于可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 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) )，转移指令均需一转移指令均需一条条 比较指令比较指令( (需需1T1TC C) )配合，其他指令均为配合，其他指令均为1T1TC C。B B机中机中转移指令包含转移

31、指令包含比较比较指指 令功能，令功能，但但T TC C比比A A机慢机慢15%15%。A A机、机、B B机执行该程序时，哪个工作速度快？机执行该程序时，哪个工作速度快？ 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机比机比A A机快机快 23 2 2、模拟、模拟技术技术 * *思路：思路：建立模拟器，模拟系统性能建立模拟器，模拟系统性能模型、工作模型、工作负载模型，负载模型， 对运行后的数据进行统计、分析和评价对运行后的数据进行统计、分析和评价 * *方法：方法： 建立建立系统模型系统模型( (按被评价系统的运行特性按被评价系统的运行特性) )； 建立建立工作负载工作负载模型模型( (按被评价系统可能的工作负载特性按被评价系统可能的工作负载特性) )； 编写编写模拟程序模拟程序，模仿模仿( (在被在被评价评价系统上系统上) )运行运行； 设计设计模拟实验模拟实验( (依照依照评价评价目标、选择相

33、关因素目标、选择相关因素) )，得出实验值，得出实验值， 再进行再进行统计、分析统计、分析 * *应用：应用：可应用于可应用于设计设计中系统中系统的分析与评价；的分析与评价； 可与分析技术相结合，构成一个混合系统可与分析技术相结合，构成一个混合系统 注意：注意：分析和模拟分析和模拟技术的结果，均技术的结果，均须通过测量技术须通过测量技术验证验证 24 3 3、测量、测量技术技术 * *思路思路：采用采用基准测试基准测试程序，对系统性能进行实际测量程序，对系统性能进行实际测量 * *基准测试程序：基准测试程序： 测试程序种类测试程序种类实际实际应用程序、核心程序、合成测试应用程序、核心程序、合成

34、测试程序程序 第一第一个个层次：层次：用于用于测试系统总体性能；测试系统总体性能； 后后两个两个层次：层次：用于用于测试部件测试部件( (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包含三包含三个层次的个层次的测试程序组测试程序组，典型的有，典型的有 SPECSPEC程序组程序组，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：只能应用于只能应用于实际使用中系统实际使用中系统的分析与评价；的分析与评价； 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

35、程序组中的部分测试程序部分测试程序进行测量进行测量 25 三、性能三、性能设计定量原理设计定量原理 1 1、大概率事件优先原则、大概率事件优先原则 * *基本思想：基本思想：对大概率对大概率事件，赋予优先处理事件，赋予优先处理权和资源使用权权和资源使用权, , 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 * *应用举例：应用举例： 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 程序执行程序执行使高频指令的使高频指令的CPICPI较小较小 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

36、系统存储系统采用采用层次结构，虚存的层次结构，虚存的TLBTLB由高速由高速SRAMSRAM组成组成 26 2 2、阿姆达尔（、阿姆达尔（AmdahlAmdahl）定律）定律 * *思想思想：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于 该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例 eeee rffT T p S /)1 ( 10 改进后运行时间 改进前运行时间 * *应用：应用：使用该使用该定律，可发现定律，可发现“系统瓶颈系统瓶颈” 方法方法改善某部件性能后，系统的性能急剧提高改善某部件性能后，系统的性能急

37、剧提高 * *举例：举例：某功能处理时间占系统时间的某功能处理时间占系统时间的40%40%，将其处理速度加，将其处理速度加 快快1010倍后，整个系统性能提高多少？倍后，整个系统性能提高多少？ 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，则定律，则 S Sp p=1.56=1.56 0.00.51.0 fe Sp 10 1 5 r re e=10=10时时S Sp p和和f fe e的关系如右图：的关系如右图： 27 3 3、程序访问局部性原理、程序访问局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序执行时，呈现出频繁重复使用那些程序

38、执行时，呈现出频繁重复使用那些“簇聚簇聚” 的数据和指令的规律，包含的数据和指令的规律，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-近期近期被访问的信息，被访问的信息，可能很快被可能很快被访问访问 空间局部性空间局部性-被访问信息的相邻信息，可能很快被被访问信息的相邻信息，可能很快被访问访问 例例 for for ( (intint i i=0; =0; i i100; 100; i i+) Sum +) Sum = Sum + A= Sum + Ai i; * *应用应用：层次层次存储体系存储体系设计、缓冲器组织设计、缓冲器组织 5 5、软硬件取舍原则、软硬件取舍

39、原则 现有现有软硬件条件下软硬件条件下，所选方法有助于，所选方法有助于提高系统的提高系统的性性/ /价价； 所选方法尽量所选方法尽量不限制不限制计算机组成和实现技术；计算机组成和实现技术； 所选方法能够对编译程序所选方法能够对编译程序和和操作系统提供操作系统提供好的好的支持支持 4 4、充分利用并行原则、充分利用并行原则 * *基本思想：基本思想：t0t0t1t1tntnmaxmaxt0,t1,t0,t1,tntn 28 第第3 3节节 计算机系统结构发展计算机系统结构发展 一、一、冯冯诺依曼诺依曼结构及其改进结构及其改进 1 1、计算机模型、计算机模型 * *结构与组成：结构与组成：5 5大

40、部件，以运算器为中心大部件，以运算器为中心 * *数据表示与运算：数据表示与运算：指令指令/ /数据表示、运算均用数据表示、运算均用二进制二进制方式方式 * *存储器结构：存储器结构：由由定长单元定长单元构成的构成的一维一维空间，空间，按地址按地址访问访问 回下页 * *存储程序工作方式：存储程序工作方式： 程序存储程序存储指令指令及及数据数据预先存放预先存放在在存储器存储器中中 程序控制程序控制按程序按程序逻辑顺序逻辑顺序，自动、逐条自动、逐条取出指令并执行取出指令并执行 2 2、性能瓶颈、性能瓶颈 CPU-MEMCPU-MEM访问瓶颈：访问瓶颈：CPUCPU高频率、用逻辑地址访问高频率、用

41、逻辑地址访问MEMMEM 指令串行执行瓶颈：指令串行执行瓶颈：无法利用软硬件的并行处理能力无法利用软硬件的并行处理能力 29 3 3、结构改进、结构改进 ( (系统结构的任务系统结构的任务) ) 转上页 * *改进改进I/OI/O方式：方式：采用中断方式、采用中断方式、DMADMA方式方式( (实现以实现以MEMMEM为中心为中心) )， 改进总线改进总线( (增加宽度、总线级数增加宽度、总线级数) ) * *改进存储器：改进存储器：采用层次结构采用层次结构( (降低降低T TA A) )、哈弗结构、哈弗结构( (支持流水线支持流水线) )， 采用多体交叉采用多体交叉MEMMEM( (提高带宽

42、提高带宽) )， 采用虚拟采用虚拟MEMMEM( (利于多线程、软件规模、利于多线程、软件规模、MEMMEM利用率利用率) ) * *优化优化CPUCPU性能：性能：采用流线水、多采用流线水、多( (线程线程/ /核核)CPU)CPU等技术，等技术， 采用数据流技术采用数据流技术( (处理并行性中的冲突处理并行性中的冲突) ) * *改进指令系统：改进指令系统：采用采用RISCRISC技术技术( (利于并行处理利于并行处理) )， 增加新数据表示增加新数据表示/ /指令指令( (提高软件性能提高软件性能) ) 30 二、影响系统结构发展的相关因素二、影响系统结构发展的相关因素 1 1、软件对系

43、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：具有相同系统结构或扩充原系统结构，采用不同的具有相同系统结构或扩充原系统结构，采用不同的 组成或实现技术，来实现软件可移植性组成或实现技术，来实现软件可移植性 * *解决方法：解决方法：通常通常有三种有三种 回下页 机器语言级机器语言级 高级语言级高级语言级 微程序级微程序级 目标机目标机 机器语言级机器语言级 高级语言级高级语言级 微程序级微程序级 宿主机宿主机 统一机器语言统一机器语言 统一高级语言统一高级语言 解释机器语言解释机器语言 宿主机上解释程

44、序宿主机上解释程序 目标机目标机机器语言机器语言 31 * *影响影响1 1：使得新的组成与实现技术很快得到应用，大量兼容使得新的组成与实现技术很快得到应用，大量兼容 产品的出现，产品的出现，推动推动了系统结构的发展了系统结构的发展 对系列对系列机的要求机的要求保证保证向后兼容向后兼容，力争，力争向上兼容向上兼容！ 软件软件兼容兼容种类种类向上向上/ /向下向下、向前、向前/ /向后向后 发布时间发布时间 机器档次机器档次 当前机器当前机器( (如如P4P4) ) 向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 (如小型机如小型机)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 (如嵌入式系统如嵌入式系统)低低 * *影响影响2 2：为保持软件兼容性，要求系统结构基本不变，为保持软件兼容性，要求系统结构基本不变，限制限制 了系统结构的发展了系统结构的发展 转上页 32 * *影响影响：对系统对系统结构的发展结构的发展无限制无限制， 模拟模拟/ /仿真后系统性能不佳仿真后系统性能不佳 (2)(2)模拟与仿真模拟与仿真 * *模拟：模拟：用用机器语言程序机器语言程序解释解释来实现软件移植来实现软件移植 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、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：不同不同解释程序的语言及存放解释程序的语言及存放位置位置、硬件是否参与、硬件是否参与 相同相同解释解释指令系统、存储系统、指令系统、存储系统、I/OI/O系统、系统、OSOS 33 (3)(3)统一统一高级语言高级语言 存在一定困难，可争取汇编语言或接口存在一定困难，可争取汇编语言或接口/ /技术的统一技术的统一 * *影响：影响：对对系统结构的发展系统结构的发展无限制无限制， 相关相关功能特性的功能特性的接口要求一致接口要求一致 应用程序应用程序 O

47、SOS内核内核 虚拟机虚拟机VM1VM1 应用程序应用程序 OSOS内核内核 虚拟机虚拟机VMnVMn 虚拟机监控器虚拟机监控器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：采用采用统一的中间语言统一的中间语言( (如如Java)Java)，通过解释执行以适，通过解释执行以适 应不同的系统结构应不同的系统结构 * *方案方案2 2：采用标准的采用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 * *应用对系统结构设计的影响：应用

48、对系统结构设计的影响： 设计方法设计方法选择专用结构、通用结构选择专用结构、通用结构 影响因素影响因素性能、价格需求性能、价格需求( (开发费用开发费用+ +生产费用生产费用) ) 技术进步影响比例技术进步影响比例 34 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 * *应用需求：应用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *应用领域对系统结构的要求：应用领域对系统结构的要求： 特殊领域特殊领域研究新的系统结构，如巨研究新的系统结构，如巨/ /大型机大型机 一般领域一般领域研究已有系统结构转化，如通用计算机研究已有系统结构转化，如通用计算机 * *性能、价格

49、对系统结构的要求：性能、价格对系统结构的要求： 保持保持价格基本不变，提高价格基本不变，提高性能；性能； 保持保持性能基本不变，降低价格性能基本不变，降低价格 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 35 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发展：方法发展： 通用片通用片现场现场片片半半用户用户片片用户用户片片 * *对系统对系统结构的影响结构的影响： 器件发展器件发展推动了系统结构与组成技术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方法，器件性能

50、、使用方法影响系统结构及组成方法， 器件性器件性/ /价提高，使结构、组成下移速度更快，价提高，使结构、组成下移速度更快， 器件的发展，推动算法、语言的发展器件的发展，推动算法、语言的发展 系统结构的发展要求器件不断发展系统结构的发展要求器件不断发展 如如新结构的使用，取决于器件发展能否提供可能新结构的使用，取决于器件发展能否提供可能 提高器件性能提高器件性能/ /价格，要求改变器件逻辑设计价格，要求改变器件逻辑设计方法方法 36 三、系统结构中并行性的发展三、系统结构中并行性的发展 1 1、并行性、并行性 指指同同一时刻一时刻或或同同一时段一时段内内完成完成2 2种工作的种工作的特性特性 * *特性：特性：同时性、并发性同时性、并发性 (1)(1)并行