软件应用器件对系统结构的影响ppt课件

1、4 软件、运用、器件对系统构造的影响 n软件对系统构造的影响n运用系统对系统构造的影响 n器件开展对系统构造的影响 软件的可移植性 n是指软件不用修正或只需经少量加工就能由一台机器搬到另一台机器上运转。 n一致高级言语 n采用系列机思想 n模拟与仿真 一致高级言语 n采用与硬件平台无关的高级程序设计言语规范如FORTRAN、COBOL等n不同用途的高级言语有不同的语法构造和语义n人们对言语的根本构造看法不一n即使一致种高级言语在各个不同厂家的机器上也不能完全通用n即使同一种高级言语在不同厂家的机器上也不能完全通用n在不同平台上高级言语有所扩展。n如：Visual C+、VB等n受习惯权益阻扰，

2、不愿放弃惯用的言语开放系统n是指一种独立于厂商,且遵照有关国际规范而建立的,具有系统可移植性、交互操作性，从而能允许用户自主选择详细实现技术和多厂商产品渠道的系统集成技术的系统。nPCI、USB、TCP/IPnLinux、Java、CORBA、Web Services等系列机n在软、硬件界面上确定好一种系统构造，之后软件设计者按此设计软件，硬件设计者根据机器速度、性能、价钱的不同，选择不同的器件，在用不同的硬件技术和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。 nIBM/360,370：115，125，145，158，168等nDEC PDP-11 VAX-11/780,750nIntel 80

3、 x86系列：8086,80286,80386,PI,P2,P3,P4nIBM P系列Unix效能器,p690,p670,p660,p665等n一样的指令系统，采用顺序执行、重迭、流水和并行处置方式n一样的32位字长，数据通路宽度为8位、16位、32位、64位。n如PC系列机有：n不同主频：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz, 3GHz, n不同扩展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2n不同Cache：Pentium、Celeron、Xeonn不同字长：8位、16位、32位、64位系列机的性能价钱比低

4、档性能性能中档高档价钱性能/价钱采用系列机的优缺陷n优点：n采用系列机之间软件兼容，可移植性好n插件、接口等相互兼容；n便于实现机间通讯；n便于维修、培训；n有利于提高产量、降低本钱n缺陷：n采用新技术困难-如Itanium(32bit64bit)n限制了计算机系统构造的开展软件兼容n向上下兼容：指按某一档机器编制的软件，不加修正就能运转于比它高低档的机器上。 n向前后兼容：在按某一时期投入市场的该型号机器上编制的软件，不加修正就能运转宇在它之前后投入市场的机器上。 n兼容机：把不同公司厂家消费的具有同一系统构造的计算机。 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

5、容高高低低向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容系列机开展新机型的判别方法拟采取的方法改动了原系统构造？对原系统构造的扩展？该方法可取该方法不可取否是否是举例1n添加字符数据类型和指令，支持事务处置n判别：不改动原有系统构造，满足软件向后兼容。n结论：可采用n为加强中断处置功能，将中断分级4级改为5级，并重新调整中呼应的优先次序n判别：终端系统属系统构造，改动n结论：不可采用举例2n在CPU和主存之间增设Cache，抑制因主存访问速度过低而呵斥性能瓶颈n判别：能否增设Cache，不属于n结论：可采用n为处置计算误差大，将机器中浮点数的下溢处置方法由原来的恒置“1法，改为ROM存放下溢处置结果的查表舍

6、入法n判别：不属于n结论：可采用举例3n为添加寻址灵敏性和减少平均指令字长，将原等长操作码改为3类不同码长的扩展操作码，将原操作数寻址方式由操作码指明改为如VAX-11那种寻址方式位字段指明n判别：改动系统构造n结论：不可采用n把原0号通用存放器改为堆栈指示器n判别：属于系统构造n结论：不可采用举例4n将CPU与主存间的数据通路宽度由16位扩展成32位，加快主机内部信息的传送n判别：不属于n结论：可采用n为减少公用总线的运用冲突，将单总线改为双总线n判别：不属于n结论：可采用模拟 Simulationn用机器言语程序实现软件移植的方法。n进展模拟义务的A机称为宿主机Host Machinen被

7、模拟的B机称为虚拟机Virtual Machinen一切为各种模拟所编制的解释程序通称为模拟程序；编制非常复杂和费时 n只适宜于移植运转时间短，运用次数少，而且在时间关系上没有约束和限制的软件； 微程序机器级传统机器级机器言语级操作系统级虚拟机器级汇编言语级虚拟机器级高级言语级虚拟机器级A机器系统机器言语级虚拟机器级操作系统级虚拟机器级运用程序级B虚拟机器系统用模拟方法实现运用软件的移植仿真 Emulationn用微程序直接解释另一种机器指令的方法。n进展仿真义务的A机称为宿主机n被仿真的B机称为目的机Target Machinen一切为仿真所编制的解释微程序通称为仿真微程序；用仿真方法实现运

8、用软件的移植微程序机器级传统机器级A机器言语级操作系统级虚拟机器级高级言语级虚拟机器级A机器系统机器言语级B机器言语操作系统级虚拟机器级运用程序级B虚拟机器系统仿真与模拟的区别 n解释用的言语不同 n解释程序所存的位置不同：仿真存在控制存放器，模拟存在主存中 n阐明 ：n模拟适用于运转时间不长、运用次数不多的程序 n仿真提高速度，但难以仿真存储系统、I/O系统，只能适用于系统构造差别不大的机器间；n在开发系统中，两种方法共用 模拟与仿真的比较项目模拟仿真优点可实现结构差别大的机器间软件移植速度较快缺点运行速度低，实时性差，模拟程序复杂机器结构差别大时，仿真困难适用场合运行时间短，使用次数少，无

9、时间关系约束的软件频繁使用且易于仿真的指令三种方法的比较n采用一致高级言语最好，是努力的目的n系列机是暂时性方法，也是目前最好的方法n仿真的速度低，芯片设计的负担重n目前用于同一系列机内的兼容n1/101/2的芯片面积用于仿真n开展异种机经过网络互联是实现软件移植的新途径虚拟计算系统n虚拟计算系统可以隔离详细的硬件系统构造和软件系统之间的依赖关系，实现透明化的可伸缩计算系统架构。n透明、高效、可定制地运用计算资源，实现灵敏构建、按需计算的理念。nVMware、Xen、Paralles、VirtualBox、Hyper-V,etc面向目的代码的编译n一种机器的目的代码重新编译到另一种机器的目的代

10、码n两种方法：n 动态代码转换n例1：IBM的DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown) 处置机，开放源代码，实现IBM的VLIW处置器与X86处置器之间的二进制兼容，以及与PowerPC、S/390、Java虚拟机等IBM国的一切处置器之间的二进制兼容n例2：Transmeta公司的Crusoe处置机，“代码映射软件，Code Morphing Software，可以保证Transmeta公司的VLIW处置器Crusoe可以与X86处置器之间实现二进制兼容。曾经大量运用于笔记本计算机，其功耗很低n静态重编译：正在研

11、讨过程中，难度很大,还没有商品化五种方法比较n方法一：采用一致高级言语是努力的目的，但不能处置已有目的代码的兼容。n方法二：目前最有效的方法，但限制了计算机系统构造的开展。n方法三：仿真的速度低，芯片设计的负担重。用于同一系列机内的兼容，1/101/2的芯片面积用于仿真。n方法四：采用虚拟计算机比如法三稍好，但依然不能完全处置已有目的代码的兼容问题n方法五：目的代码的静态重编译是最有效的方法，但实现的难度很大。 计算机的四类运用n数据处置Data Processingn可计算性 n信息处置Information Processingn数据的可管理性n知识处置Knowledge Processi

12、ngn数据的可组织性、可了解性n智能处置Intelligence Processing n可智能性运用系统对系统构造的影响n运用需求n高构造化数值计算：气候模型,流体流动,有限元分析n非构造化的数值计算：蒙特卡洛模拟, 稀疏矩阵。n实时多要素问题：语音识别,图象处置, 计算机视觉n海量存储和输入输出密集问题：数据库, 事务处置。n图形学和设计系统：计算机辅助设计。n三个时期n通用计算机：主要是通用科学计算n公用计算机：科学计算、事务处置、实时控制n高性能通用机：满足多种需求n目前又开场多种公用途置机的研制运用系统对系统构造的影响n两个开展趋势n维持价钱不变，利用VLSI技术等，提高性能n性能根

13、本不变，价钱迅速下降n普通先推出中间机型，然后再分别向高端和低端两个方向开展n三种设计思想n最高性能价钱比：商用机。主要开展方向n最高性能：国家平安需求，科技开展需求n 例如：银河计算机、神州计算机、天河计算机n最低价钱：家用学习机等运用系统对系统构造的影响 n运用要求：高速度、大容量、大吞吐率n运用场所：大、中、小、巨、微型机n大、巨型机趋势：研讨新的系统构造、组成技术，并推行，向通用构造开展；n中、小、微型机趋势：坚持价钱根本不变，提高性能；坚持性能根本不变，降低价钱。n从系统构造的观念来看，各型档计算机的性能随时间下移，本质上就是在低档型机上援用，甚至照搬高档型机的系统构造和组成。 价钱

14、对数坐标年代t-3t-2t-1tt+1t+2悄然型机亚微型机微型机小型机中型机大型机巨型机各型机器价钱性能随时间变化的趋势价钱和运用对系统构造的影响n要全面评价一个系统构造，既要思索性能又要思索价钱。n当两个系统的功能类似或性能接近时，性价比的比较才有意义。n改良系统构造应使性能或价钱产生较小变化，以获得更好的性价比。n改良系统构造可提高系统的绝对性能，并使价钱的添加比较合理。n针对特殊负载特殊运用的公用计算机系统构造往往具有高效率，但缺乏通用性，市局面小。n通用系统构造可顺应各种运用场所，市局面大，但效率低。n设计的出发点是使公用系统构造的高效率与通用系统构造的广泛市场成均势。器件开展对系统

15、构造的影响 n器件开展过程：n通用片现场片半用户片用户片n器件的开展推进系统构造与组成技术的开展，同样系统构造的开展要求器件不断开展。n新构造的运用，取决于器件开展能否提供可以n器件性能/价钱提高，使新构造、组成下移速度更快n器件的开展，推进算法、言语的开展n器件的开展，改动了逻辑设计方法。n 器件种类n通用片：逻辑关系确定n大批量消费，如：CPU、存储器、存放器n现场片：可以一次或多次改写逻辑关系n如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGAn半用户片：门阵列片等n规范的门电路，前几到工序曾经完成；n根据用户需求确定最终连线。n用户片：各种公用芯片n需求单独设计和消费。器件开展的特点n

16、器件集成度迅速提高n目前程度：每个芯片有1012个晶体管n单芯片内可以做大于10GB存储器，n单芯片内可以集成多个CPU全部Cachen每4年左右提高一个数量级, 摩尔定理n问题？如何利用器件集成度的提高，不断改良计算机系统的性能：例如，有更多指令并行执行，采用更深的流水线，集成更多的Cache等n提高器件速度的空间不大n提高主频的空间曾经很小。微处置器主频已达6GHz，门延迟小于0.01ns信号延时：30万公里/秒/21.5mm/0.01nsnPentium芯片面积600mm2，即25mm25mm当半导体工艺进入0.18m以后，线延时曾经超越了门延迟n提高微处置器速度的途径之一：依托更加精细

17、的布线技术还有少量余地开发新的器件，生物芯片和光电子器件等微处置器主频预测n根据微处置器主频近28年的增长数据，运用增长极限存在的增长曲线模型计算出微处置器主频的增长极限约为7250MHz，将在2020年左右根本到达，在2040年完全到达。年度主频(MHz)年度主频(MHz)年度主频(MHz)19711（4004）198316199518019722198420199620019742.5198533199723319785198740199845019808198950199973319821219936020001000n提高微处置器性能的途径之二n提高指令级并行度有很大潜力n几个SPEC

18、2000基准测试程序，在理想处置器中的指令级并行度：n编译器gcc(C言语83589行)：58.4n最小化布尔函数espresso(C言语00)：62.6n量子化学积分求导fpppp(fortran2718行): 75.2n原子反响堆模拟器dodnc(fortran5334行): 118.7n向量化网格生成tomcatv(fortran1950行): 150.1n价钱直线下降nCPU芯片的价钱每年要下降80%n可靠性越来越高n芯片可靠性到达108小时，延续运用1万年以上综述n软件是促使计算机系统构造开展的最重要的要素n没有软件，机器就不能运转，所以为了能方便地运用现有软件，就必需思索系统构造的设计n软件最重要n运用需求是促使计算机系统构造开展的最根本的动力n机器是给人用的，我们追求更快更好，机器就要做得更快更好n需求最根本n器件是促使计算机系统构造开展最活泼的要素n没有器件就产不出电脑，器件的每一次晋级就带来计算机系统构造的改良n器件最活泼改良算法的影响n在多个层次上，算法影响着系统构造，例如：n快速乘法、除法、开平方等的实现：n记分板算法、Tomasulo算法提高指令级并行性n消除名字相关、数据相关、控制相关的算法n有些问题，假设算法上有突破，不需求高性能的系统构造，而在普通系统上就能得四处置。n许多算法还有改良的