计算机体系结构.ppt

1、2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第1页，第1章计算机系统结构介绍，由刘主讲，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第2页，1.1计算机系统的多层次结构1.2计算机系统结构，组成与实现1.3软件与硬件的选择，计算机系统的性能评估与定量设计原则1.4软件的影响， 系统结构上的应用和设备1.5系统结构上的并行开发，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第3页，计算机系统硬件/固件软件计算机语言从低级向高级发展。 与低级语言相比，高级语言中的句子功能更强，使用更方便，但它们都是基于低级语言

2、的。从计算机语言的角度来看，计算机系统根据功能被划分为多层次结构。每一层都以一种语言为特征，计算机系统的多层次结构，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第4页，软件、硬件或固件，2020年7月30日，星期四，计算机科学与信息工程学院，第5页，虚拟机：由软件实现的机器语言实现的两种基本技术的翻译解释：每当一个N-1级指令被解码时，它将直接执行一系列等价的N-级指令，然后转到下一个N-1级指令解释性执行比翻译花费更多的时间，但是占用更少的存储空间。计算机系统的多层次结构，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第6页，第一台通

3、用电子计算机诞生于1946年。计算机技术的快速发展得益于计算机制造技术在两个方面的发展，计算机系统结构的创新经历了四个发展过程。1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日星期四1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第7页，1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日星期四1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第8页，1.2计算机系统结构、组成和实现，功耗问题(已经很大)。可以有效利用的指令级并行很少。内存访问速度缓慢增加。2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第9页，系统结构的一个重大转折点：从仅仅依赖指令级并行发展到线程级

4、并行和数据级并行。计算机系统结构在计算机发展中起着极其重要的作用。1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第10页，计算机系统结构的经典定义程序员所见的计算机属性，即概念结构和功能特征。根据计算机系统的多层次结构，不同层次的程序员看到的计算机具有不同的属性。透明度在计算机技术中，最初存在但从某种角度看似乎不存在的事物或属性的概念被称为透明度。1.2.2计算机系统结构的定义，1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第11页，Amdahl提出的系统结构。广义系统结

5、构定义：指令集结构、组成、硬件(计算机设计的三个方面)对于通用寄存器来说，这些属性主要是指：指令系统包括机器指令的操作类型和格式、指令之间的排序以及控制机制等。数据代表硬件可以直接识别和处理的数据类型。寻址规则包括最小寻址单位、寻址方式及其表示。，1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第12页，寄存器定义(包括各种寄存器的定义、数量和用法)中断系统(中断类型和中断响应硬件的功能等)。)机器工作状态的定义和切换(如管理状态和目标状态等)。)存储系统(主内存容量、程序员可用的最大内存容量等。)信息保护(包括信息保护模式和信息保护

6、的硬件支持)，1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日星期四1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第13页，输入/输出结构包括计算机系统结构概念的本质，如输入/输出连接模式、处理器/存储器和输入/输出设备之间的数据传输模式和格式以及输入/输出操作状态。它决定了计算机系统中的软件和硬件接口，接口之上的功能由软件实现，接口之下的功能由硬件和固件实现。1.2.3计算机组成和计算机实现、计算机系统结构：计算机系统的软硬件接口是机器语言程序员所见的传统机器级的属性。1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第14页，计

7、算机组成：计算机系统结构的逻辑实现包括物理机级数据流和控制流的组成，以及逻辑设计等。关注：物理机器级事件的排序和控制模式、每个组件的功能以及每个组件之间的关系。计算机实现：计算机组成的物理实现包括处理器、主存储器等部件的物理结构、设备的集成和速度、模块、插件和背板的划分和连接、信号传输、电源、冷却和整机装配技术等。关注：器件技术(主导作用)、微组装技术。1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第15页，一个体系结构可以有多种组成。合成有许多物理实现。系列计算机是由同一制造商生产的不同型号的系列计算机，它们具有相同的系统结构，但

8、组成和实现方式不同。例如，IBM的IBM 370系列、英特尔的x86系列等等。1.2.4计算机系统结构的分类，计算机系统结构有两种常用的分类方法：弗林分类法和冯分类法，1.2计算机系统的结构、组成和实现，2020年7月30日星期四1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第16页，冯分类法以系统的最大并行度对计算机进行分类。最大并行度：计算机系统在单位时间内可以处理的最大二进制数。计算机系统由平面直角坐标系中的一个点表示。水平坐标表示字宽(n位)，垂直坐标表示可同时处理的字数(m字)。mn表示其最大并行度。弗林分类是根据指令流和数据流的多倍体进行分类的。指令流：由计算机执行的指令序列。1.2

9、计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第17页，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第18页，数据流：由指令流调用的数据序列。多重性：系统有限组件上同一执行阶段中指令或数据的最大数量。根据弗林的分类，计算机系统的结构分为四类：SISD、SIMD、MISD、MIMD。四种类型计算机的基本结构是：指令流、数据流、控制流、控制单元、处理单元和存储器。，1.2计算机系统结构、组成和实现，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第20页，1.3.1软与硬权衡的基本原则，

10、1.3.2计算机系统性能评估和定量设计的原则，1.3计算机系统软件和硬件权衡的原则，性能评估和定量设计，2020年7月30日，星期四，1: 00计算机科学与信息工程学院，第21页，软件和硬件在逻辑上是等价的对于具有相同功能的计算机系统，软件和硬件功能的分布比例可以在很大范围内变化，如图14所示。这一分配比率随着不同时期和同一时期的不同机器而动态变化。1.3.1软硬件权衡的基本原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第22页，在满足应用的前提下，软硬件功能分配的比例主要取决于能否充分利用硬件和设备技术的进步，使系统具有较高的性能价格比。因此，如何实现应该从

11、系统应用、效率、速度、成本、资源状况等方面综合考虑。软件、硬件和固件之间的权衡应该全面平衡。一般来说，增加硬件功能的比重可以提高解决问题的速度，减少程序所需的存储空间，但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性和适应性。增加软件功能的比例可以降低硬件成本，提高系统的灵活性和适应性，但解决问题的速度会降低，软件设计的成本和所需的内存量也会增加。因此，确定软硬件功能分配比例的第一个基本原则是考虑系统在现有硬件和设备条件下应有较高的性能价格比，主要考虑实现成本、速度等性能要求。1.3.1软与硬权衡的基本原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第23页

12、。确定软件和硬件功能分布的第二个基本原则是考虑将要采用和可能采用的组合技术，因此它不应该过多或尽可能不合理地限制各种组合和实现技术的采用。确定软硬件功能分布的第三个基本原则是，我们不仅要从“硬”的角度考虑如何应用合成技术的成果，充分发挥设备技术的进步，而且要从“软”的角度优先考虑为编译和操作系统的实现，甚至高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持。1.3.1软与硬权衡的基本原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第24页，计算机系统的设计思想，图1.5“自上而下”的计算机系统设计方法，1.3.1软与硬权衡的基本原则，2020年7月30日，星期四，1: 5

13、6: 4，计算机科学与信息，图1.6“自下而上”的计算机系统设计方法，1.3.1基本原则计算机科学和信息工程学院，第26页，如何用执行时间和吞吐率来评估计算机的性能与测试人员的观点有关。 用户关心单个程序的执行时间(执行单个程序花费的时间很少)。数据处理中心的管理员关心的是吞吐率(许多任务可以在单位时间内完成)，1计算机系统的性能评估，1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第27页。X的性能是Y的n倍，即执行时间与性能成反比，即1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原理，2020年7月30日，星期四，1: 56

14、: 4，计算机科学与信息工程学院，第28页，执行时间可以有多种定义：计算机完成一项任务所用的总时间，包括dis中央处理器时间：中央处理器执行给定程序的时间，不包括等待输入输出和运行其他程序的时间。用户中央处理器时间：用户程序消耗的中央处理器时间。系统中央处理器时间：用户程序运行期间操作系统消耗的中央处理器时间。1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第29页，基准测试程序测试和比较性能的基准测试程序的最佳选择是实际应用程序。(例如，编译器)用于采用简化程序，如核心测试程序：由从真实程序中选出的关键代码段组成的小程序

15、。一个简单的有几十行的小程序。人工合成的程序。磨刀石和Dhrystone是最受欢迎的合成测试程序。从测试性能的角度来看，上述测试程序是不可信的。1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第30页，原因：这些程序相对较小且片面；系统架构设计者和编译器设计者可以“合谋”为这些测试程序优化他们的计算机设计，这使得计算机看起来具有更高的性能。性能测试的结果不仅与所采用的测试程序有关，还与测试使用的条件有关。基准程序员对制造商的要求使用相同的编译器；对相同语言的程序使用相同的编译标志集。1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计

16、原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第31页，另一个问题：是否允许修改测试程序的源程序？有三种不同的处理方法：不允许修改。允许修改，但是几乎不可能修改，因为测试程序很复杂或者很大。只要最终输出结果相同，就允许修改。基准测试套件：它由各种实际应用程序组成。SPEC系列：最成功和最常用的测试程序套件(由美国标准性能评估公司开发)，1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原则，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4，计算机科学与信息工程学院，第32页，台式计算机的基准测试程序套件可分为两类：处理器性能测试程序，可分为两类十个程序(4个整数序列， 6

17、个浮点程序)已经发展成4个版本的spec 92: 20程序spec 95: 18程序SPEC92:20: 26程序SPEC CPU2006: 29程序SPEC CPU2006，1.3.2计算机系统的性能评估和定量设计原理，2020年7月30日，星期四，1: 56: 4。 计算机科学和信息工程学院，第33页，12个整数程序(cint2006)，9个用c写的浮点程序，3个用c写的浮点程序(cfp2006)，6个用FORTRAN写的，4个用c写的，3个用c写的，4个用c和FORTRAN混合写的。SPEC测试程序套件SPECNFS中的其他系列测试程序组件：NFS(网络文件系统)文件服务器的测试程序。它不仅测试处理器的性能，还测试输入输出系统的性能。它侧重于测试吞吐量。网络服务器测试程序。1.3.2计算机系统的性能评估和量