前言-第1章-計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念

2023/2/5例：INTEL奔騰系列微機CPU換代

Pentium(P5):基于UV兩條指令流水線

Pentiummmx(P55):基于mmx技術(shù)

Pentiumpro:基于動態(tài)執(zhí)行技術(shù)PII:基于P55和Ppro技術(shù)的結(jié)合PIII:基于SSE(數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展)概念PIV:基于SSE2(雙精度SIMD指令集)

Core2Duo

：多路（Wide）動態(tài)執(zhí)行

高級智能高速緩存第一章

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

在本章節(jié)中您將了解到：主要內(nèi)容：

·計算機系統(tǒng)看成是按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)

·計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

·系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)三者的含義和關(guān)系

·軟硬件功能分配的一般原則·軟件、應(yīng)用、器件和計算機系統(tǒng)的設(shè)計對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響·計算機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展·計算機系統(tǒng)的分類目的：對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有基本的了解請看本章目錄結(jié)構(gòu)2023/2/5第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)1.3軟硬取舍與計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路1.4軟件、應(yīng)用、器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性發(fā)展及計算機系統(tǒng)的分類2023/2/5設(shè)計一種新型計算機系統(tǒng)首先必須面臨的問題是什么呢？我們會列舉出很多因素，其中最主要的有新型計算機的主要特點和性能。它們具體包括：指令集設(shè)計、功能組織、邏輯設(shè)計、實現(xiàn)技術(shù)等。實現(xiàn)技術(shù)包括集成電路設(shè)計、制造和封裝技術(shù)、系統(tǒng)制造、供電、冷卻技術(shù)等。另外，我們往往要求在限定的造價范圍內(nèi)，使新型計算機具有最高的性能。如何采用先進(jìn)的計算機體系結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)，制造出具有高性能價格比的計算機系統(tǒng)，是所有通用計算機設(shè)計的共同目標(biāo)?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)是由軟件和硬/固件組成的十分復(fù)雜的系統(tǒng)。為了對這個系統(tǒng)進(jìn)行描述、分析、設(shè)計和使用，人們從不同的角度提出了觀察計算機的觀點和方法。本節(jié)從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)。2023/2/5計算機語言可分成一系列的層次(level)或級，最低層語言的功能最簡單，最高層語言的功能最強。對于用某一層語言編寫程序的程序員來說，他一般不管其程序在機器中是如何執(zhí)行的，只要程序正確，他終能得到預(yù)期的結(jié)果。這樣，對這層語言的程序員來說，他似乎有了一種新的機器，這層語言就是這種機器的機器語言，該機器能執(zhí)行用該層語言編寫的全部程序。因此計算機系統(tǒng)就可以按語言的功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)。每一層以一種不同的語言為特征?！?計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)2023/2/5§1計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)是由緊密相關(guān)的硬件/器件和軟件組成，為了從整體上認(rèn)識和分析，可以將其按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)。一種觀點：從使用語言的角度來劃分層次，從不同語言程序員角度觀察所需要了解的。2023/2/51.1計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)圖1.1計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)一、多級層次結(jié)構(gòu)的劃分計算機語言的發(fā)展：機器、匯編、高級、應(yīng)用語言低級-------高級后者以前者為基礎(chǔ)比前者功能強、使用更方便

對于使用某一層語言的程序員來說，只要遵守本語言的規(guī)定，編寫的程序總能在計算機上正確運行，而不必關(guān)心機器內(nèi)部軟硬件是如何工作的------好象他有了一臺直接用本層語言做機器語言的計算機一樣。2023/2/5第1級----機器語言級實際機器：計算機只能直接識別和執(zhí)行機器語言缺點：編程困難，無法適應(yīng)解題需要和應(yīng)用擴(kuò)大二進(jìn)制機器指令系統(tǒng)CPU第1級機器語言計算機機器語言程序員2023/2/5第2級----匯編語言級匯編語言是一種符號式程序設(shè)計語言，編程較方便，其語句基本與機器指令一一對應(yīng)，但仍不能被硬件直接識別與執(zhí)行。

“虛擬”機器----可以想象在使用機器指令的實際機器上出現(xiàn)了用匯編語言作為機器語言的一級虛擬機器。翻譯(Translation)：先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患墮C器級上的程序整個地變換成低一級機器級上可運行的等效程序，然后再在低一級機器級上去實現(xiàn)的技術(shù)。例：英語翻譯匯編語言源程序匯編程序機器語言目標(biāo)程序2023/2/5第3級----高級語言級高級語言面向過程和問題，種類多，更易學(xué)易用。高級語言源程序

編譯程序機器語言目標(biāo)程序第3級高級語言虛擬機器高級語言程序員2023/2/5第4級----應(yīng)用語言級所謂應(yīng)用語言，是為非計算機專業(yè)人士使用而設(shè)計的，一般指一些專用大型軟件。如：CAD，Office軟件，圖形圖象處理等。應(yīng)用語言包翻譯程序高級語言程序再逐層實現(xiàn)第4級應(yīng)用語言虛擬機器用戶2023/2/5第0級----微程序級

采用微程序控制的機器，每條機器指令對應(yīng)一串微指令(一段微程序)，計算機直接執(zhí)行微指令。微程序解釋微指令系統(tǒng)由硬件直接執(zhí)行第0級微程序?qū)嶋H機器硬聯(lián)邏輯設(shè)計人員2023/2/5M1每條機器指令由微指令程序解釋M0微指令由硬件直接執(zhí)行傳統(tǒng)機器

M1（機器指令系統(tǒng)）

L1

微程序機器M0（微指令系統(tǒng)）L0第0級第1級解釋（Interpretation）：

在低一級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高一級機器上的一條語句或指令的功能，通過對高一級機器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現(xiàn)的技術(shù)。例：口語翻譯機器指令1轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)一串微指令機器指令2控制返回機器指令3......對比：翻譯解釋------------------------------------------多占存儲空間節(jié)省存儲空間(中間代碼、目標(biāo)代碼)需要翻譯程序不占運行時間運行費時兩種方法經(jīng)常并用：高級語言源程序機器語言程序微程序易于執(zhí)行的中間代碼機器指令翻譯解釋翻譯解釋應(yīng)用語言機器M5高級語言機器M4匯編語言機器M3操作系統(tǒng)機器M2傳統(tǒng)機器M1微程序機器M0虛擬機器實際機器應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件固件硬件由軟件實現(xiàn)的機器——虛擬機器由硬件或固件實現(xiàn)的機器——實際機器軟件硬件在邏輯功能上是等效的，但在性能、價格、實現(xiàn)難易上不同。各級的實現(xiàn)應(yīng)全面考慮系統(tǒng)的效率、速度、價格等，對軟、硬、固件綜合取舍。2023/2/5二、多級層次結(jié)構(gòu)劃分的優(yōu)點

1.理解軟件、硬件、固件的地位和作用2.理解各種語言的實質(zhì)和實現(xiàn)途徑3.探索虛擬機新的實現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設(shè)計由硬件固件實現(xiàn)——高級語言機器多處理機系統(tǒng)——各級由真正微處理機實現(xiàn)4.理解計算機體系結(jié)構(gòu)的定義5.在一臺真正的宿主機上通過模擬或仿真另一臺不同的假想機器——自虛擬技術(shù)

2023/2/5計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)的劃分是相對的，其中的每一層機器只對一定的用戶或人員存在，其功能在廣義的概念上是對該層語言提供解釋手段，用該層語言了解和使用計算機，而不必關(guān)心其他。

§2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)

2023/2/51.2.1結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)我們這里所稱的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或計算機體系結(jié)構(gòu)(ComputerArchitecture)只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一部分。它指的是層次結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其界面之上的功能包括操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級和應(yīng)用語言級中所有軟件的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。因此，這個界面實際上是軟件與硬件/固件的交界面，是程序設(shè)計者看到的機器物理系統(tǒng)的抽象。所以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的是軟、硬件的功能分配以及對傳統(tǒng)機器級界面的確定。一、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ComputerArchitecture建筑學(xué)：建筑物的設(shè)計或式樣，外貌60年代引入計算機領(lǐng)域1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義定義1：1964年G.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)提出：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計算機的屬性，即程序員編寫出能在機器上正確運行的程序所必須了解到的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。-----計算機系統(tǒng)的外特性外特征用一個不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎罕热鐒游锏摹跋到y(tǒng)結(jié)構(gòu)”是指什么呢?它的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，就相當(dāng)于動物的器官組成及其功能特性，如人有胃，胃可以消化食物。至于胃是什么形狀的、由什么組成就不是“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”研究的問題了。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只管到這一層。電子線路級分子級計算機系統(tǒng)人應(yīng)用語言級為人民服務(wù)級高級語言級讀書、學(xué)習(xí)級匯編語言級語言、思維級操作系統(tǒng)級生理功能級傳統(tǒng)機器級人體器官級微程序機器級細(xì)胞組織級問題：從計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)出發(fā)，不同級的程序員所看到的計算機屬性不一樣的。例如：高級語言程序員：軟件（程序語言、OS、編譯程序）機器語言程序員：硬件（數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器定義、指令系統(tǒng)、中斷、輸入輸出…）傳統(tǒng)機器存在的差別是高級程序員不需要看見的，對他是透明的。透明性（Transparency）：一種本來存在的事物或?qū)傩?，從某個角度看卻好象不存在。通常：計算機系統(tǒng)中，低層機器級的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性對高層機器級的程序員來說是基本透明的。由于從不同層次(級)的程序員看計算機的屬性是不同的，這個屬性就是計算機系統(tǒng)不同層次的界面。定義2：“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”就是指的計算機系統(tǒng)中對各級之間界面的定義及其上下的功能分配。——各個機器級都有自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計者要研究好各級的透明性，進(jìn)行合理的分析、取舍。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容本書——傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件與硬(固)件的交界面內(nèi)容：計算機軟硬件功能的分配以及對機器級界面的確定2023/2/5就目前的通用機來說，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的屬性應(yīng)包括：硬件能直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式等的數(shù)據(jù)表示；最小可尋址單位、尋址種類、地址計算等的尋址方式；通用/專用寄存器的設(shè)置、數(shù)量、字長、使用約定等的寄存器組織；二進(jìn)制或匯編級指令的操作類型、格式、排序方式、控制機構(gòu)等的指令系統(tǒng)；內(nèi)存的最小編址單位、編址方式、容量、最大可編址空間等的存貯系統(tǒng)組織；中斷的分類與分級、中斷處理程序功能及入口地址等的中斷機構(gòu)；系統(tǒng)機器級的管態(tài)和用戶態(tài)的定義和切換；輸入輸出設(shè)備的連接、使用方式、流量、操作結(jié)束、出錯指示等的機器級I/O結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)各部分的信息保護(hù)方式和保護(hù)機構(gòu)；

二、計算機組成與實現(xiàn)1、計算機組成

指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。任務(wù)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定了分配給硬件子系統(tǒng)的功能及概念性結(jié)構(gòu)后，研究各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實現(xiàn)機器指令級的要求。設(shè)計要求：按性價比要求，最佳最合理地把各種設(shè)備和部件組合成計算機，而且性能參數(shù)互相匹配。重點：提高速度、提高并行度、功能分散和專用部件設(shè)置2、計算機實現(xiàn)

指計算機組成的物理實現(xiàn)。任務(wù)：器件的選擇和組裝技術(shù)。要求：性能價格比要求胃的例子：

組成------計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)特性：將那些外特性加以“邏輯實現(xiàn)”的基本屬性。比如胃的功能是消化食物----外特性。那怎么消化呢，胃的蠕動、分泌胃酸等操作就是內(nèi)特性。實現(xiàn)------胃由哪些組織組成幾條肌肉和神經(jīng)來促使它運動。

例１：·指令系統(tǒng)的確定(條數(shù)、類型、方式)-----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)·取指、取操作數(shù)、運算、送結(jié)果等具體操作及其排序方式-----組成·具體電路、器件的設(shè)計及裝配技術(shù)等-----實現(xiàn)

2023/2/5計算機組成(ComputerOrganization)指的是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。它著眼于機器級內(nèi)各事件的排序方式與控制機構(gòu)、各部件的功能及各部件間的聯(lián)系。計算機組成設(shè)計要解決的問題是在所希望達(dá)到的性能和價格下，怎樣最佳、最合理地把各種設(shè)備和部件組織成計算機，以實現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。近40年里，計算機組成設(shè)計主要是圍繞提高速度，著重從提高操作的并行度、重疊度，以及分散功能和設(shè)置專用功能部件來進(jìn)行的。2023/2/5計算機組成設(shè)計要確定的方面一般應(yīng)包括：數(shù)據(jù)通路寬度(在數(shù)據(jù)總線上一次并行傳送的信息位數(shù)多少)；專用部件的設(shè)置(設(shè)置哪些專用部件，如乘除法專用部件、浮點運算部件、字符處理部件、地址運算部件等，每種專用部件設(shè)置的數(shù)量，這些都與機器所需達(dá)到的速度、專用部件的使用頻度高低及允許的價格等有關(guān))；2023/2/5各種操作對部件的共享程度(共享程度高，即使操作在邏輯上不相關(guān)也只能分時使用，限制了速度，但價格便宜。可以設(shè)置多個部件降低共享程度，提高操作并行度來提高速度，但價格也將提高)；功能部件的并行度(功能部件的控制和處理方式是采用順序串行，還是采用重疊、流水或分布處理)；控制機構(gòu)的組成方式(事件、操作的排序機構(gòu)是采用硬聯(lián)控制還是用微程序控制，是采用單機處理還是用多機處理或功能分布處理)；３.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的關(guān)系

三者相互聯(lián)系又相互影響

(1)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可因速度、價格要求不同而采用不同組成；一種組成可以采用多種不同的實現(xiàn)；－－取決于性價比和器件技術(shù)狀況例如：相同指令系統(tǒng)－－順序、流水相同乘法指令－－乘法器、加法器相同主存要求－－不同型、多片３.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的關(guān)系

(2)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使采用的組成、實現(xiàn)技術(shù)差異；

組成、實現(xiàn)(器件技術(shù))的發(fā)展也影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

例如：微程序技術(shù)

最初：為了使控制器規(guī)整，易于批量生產(chǎn)，替代復(fù)雜的硬聯(lián)邏輯；結(jié)果：發(fā)展出固件工程，促進(jìn)了CA的發(fā)展因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須結(jié)合應(yīng)用來考慮，為軟件和算法實現(xiàn)提供更好的一貫件支持，要考慮可能的組成和實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，不要有過多或不合理的限制。

３.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的關(guān)系

(3)組成要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)；

決定于結(jié)構(gòu)，受限于實現(xiàn)

組成與實現(xiàn)不是被動的，可以折中權(quán)衡；----主要取決于速度、性價比、器件條件３.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的關(guān)系

(4)三者包含的具體內(nèi)容隨不同機器而變化，界限也將越來越模糊；例如：Cache一般作為組成提出的，由硬件自動管理；有的機器設(shè)置了Cache相關(guān)指令以提高其使用效率，成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

又例：內(nèi)存…KB時編程犧牲速度來管理內(nèi)存；現(xiàn)在，內(nèi)存容量不在是CA主題，變?yōu)橄渌俣绕款i；2023/2/5“計算機體系結(jié)構(gòu)”學(xué)科

——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)+組成研究軟硬件功能分配，最佳、最合理地實現(xiàn)分配給硬件的功能分為：從程序設(shè)計者看——機器級界面從計算機設(shè)計者看——分配給硬件的功能2023/2/51.3軟硬取舍與計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路1.3.1軟硬取舍的基本原則無論是硬件實現(xiàn)，還是軟件實現(xiàn)，實現(xiàn)費用都應(yīng)包括研制費用和重復(fù)生產(chǎn)費用。盡管目前軟件的設(shè)計效率低，但用硬件實現(xiàn)的設(shè)計費用還是明顯地大于用軟件實現(xiàn)和用固件實現(xiàn)的設(shè)計費用，尤其是大規(guī)模、超大規(guī)模專用集成電路片子的設(shè)計費用是比較高的。設(shè)某功能的軟、硬件實現(xiàn)的每次設(shè)計費用分別為Ds和Dh，則Dh≈100Ds是完全可能的。2023/2/5至于重復(fù)生產(chǎn)費用，硬件實現(xiàn)的也比軟件實現(xiàn)的貴得多，后者只是軟件的復(fù)制費用加上存放該軟件的存貯介質(zhì)(如盤片)的價格。設(shè)該功能軟、硬件實現(xiàn)的每次重復(fù)生產(chǎn)費用分別為Ms和Mh,則Mh≈100Ms也是可能的。用硬件實現(xiàn)一個功能(如子程序調(diào)用的全部操作)，往往只需設(shè)計一次；而用軟件實現(xiàn)時，每用到該功能往往要重新設(shè)計。設(shè)C為該功能在軟件實現(xiàn)時需重新設(shè)計的次數(shù)，則該功能用軟件實現(xiàn)的設(shè)計費用就為C×Ds(由于重新設(shè)計時可利用原設(shè)計進(jìn)行修改或簡單搬用，使設(shè)計費用Ds要低得多)。同一功能的軟件在存貯介質(zhì)上有可能多次出現(xiàn)，每出現(xiàn)一次都需要有復(fù)制和存貯費用。設(shè)該功能在存貯介質(zhì)上出現(xiàn)了R次，軟件實現(xiàn)此功能的重復(fù)生產(chǎn)費用就為R×Ms。2023/2/5假定該計算機系統(tǒng)共生產(chǎn)了V臺，每臺計算機若用硬件實現(xiàn)該功能的費用就為Dh/V+Mh改用軟件實現(xiàn)則為C×Ds/V+R×Ms只有Dh/V+Mh<C×Ds/V+R×Ms時，用硬件實現(xiàn)才是適宜的。將上述Dh與Ds、Mh與Ms的比值代入，得100Ds/V+100Ms<C×Ds/V+R×Ms2023/2/5軟件設(shè)計費用遠(yuǎn)比軟件的重復(fù)生產(chǎn)費用高，Ds≈104×Ms是完全可能的。如果將此關(guān)系式代入上式，得106/V+100<104×C/V+R

因為C值一般總比100小，所以V值愈大，這個不等式就愈能成立。換句話說，只有計算機系統(tǒng)的產(chǎn)量大，增大硬件實現(xiàn)的比例才是適宜的。如果用硬件實現(xiàn)不能給用戶帶來明顯的好處，其產(chǎn)量仍然較低，是不會有生命力的。2023/2/5確定軟、硬件功能分配的第二個基本原則是，要考慮到準(zhǔn)備采用和可能采用的組成技術(shù)，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用。確定軟、硬件功能分配的第三個基本原則是，不能僅從“硬”的角度去考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和發(fā)揮器件技術(shù)的進(jìn)展，還應(yīng)從“軟”的角度把為編譯和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，以至高級語言程序的設(shè)計提供更多更好的硬件支持放在首位。2023/2/51.3.2計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路圖1.5計算機系統(tǒng)“由上往下”設(shè)計的方法2023/2/5圖1.6計算機系統(tǒng)“由下往上”設(shè)計的方法2023/2/5計算機系統(tǒng)的設(shè)計者要熟悉從編譯系統(tǒng)、OS到邏輯設(shè)計和組裝的一系列技術(shù)，綜合考慮好設(shè)計的任務(wù)和要求。計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)一、系統(tǒng)設(shè)計的要求1、明確用戶對計算機系統(tǒng)的功能要求2、軟硬件平衡取舍3、CA符合今后發(fā)展要求1、明確用戶對計算機系統(tǒng)的功能要求(1)應(yīng)用領(lǐng)域：

專用/通用？科學(xué)計算/商用？(2)軟件兼容層次：

程序設(shè)計語言層/二進(jìn)制目標(biāo)代碼層？(3)OS需求：

地址空間大小/存儲管理方式/保護(hù)方式？(4)標(biāo)準(zhǔn)要求：浮點數(shù)/IO總線/網(wǎng)絡(luò)/程序設(shè)計？(5)特定應(yīng)用優(yōu)化或軟件兼容：

2、軟硬件取舍原則

----優(yōu)化原則一：在現(xiàn)有器件和技術(shù)條件下，系統(tǒng)要有高的性能價格比；硬件實現(xiàn)優(yōu)點：速度快、占存少缺點：成本高、靈活性差

軟件實現(xiàn)優(yōu)點：成本低、靈活性好缺點：速度慢、占存大、周期長原則二：考慮設(shè)計的軟硬件實現(xiàn)復(fù)雜度：完成時間與競爭力不應(yīng)對組成和實現(xiàn)技術(shù)有過多的限制原則三：對軟件(OS、編譯高級語言)提供更好的硬件支持軟件領(lǐng)域組成、實現(xiàn)技術(shù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化不大用于解題時間不到一半縮短語義差距二、計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路

出發(fā)點：多級層次結(jié)構(gòu)

一、由上往下（Top-Down）二、由下往上（Bottom-Up）三、由中間開始（Middle-Out）一、由上往下1．

特點：從應(yīng)用開始逐級往下2．優(yōu)點：運行效率高，軟硬分配合理適用于專用機的設(shè)計3．缺點：適應(yīng)性差，周期長軟硬脫節(jié)、分離4．解決方法：不完全優(yōu)化不專門設(shè)計機器級“選型”二、由下往上1．特點：根據(jù)器件等情況研制硬件根據(jù)要求配置軟件2．優(yōu)點：可設(shè)計通用計算機早期采用3．缺點：軟硬脫節(jié)、效率差；軟件被動復(fù)雜，硬件無法改變，某些性能指標(biāo)是虛假的

——很少使用——

三、由中間開始1．特點：綜合考慮硬器件和軟件要求，好軟硬界面，再同時進(jìn)行軟硬件設(shè)計2．優(yōu)點：軟硬件功能分配比較合理縮短了研制周期交互式解決上述兩種方法的

軟硬設(shè)計分離和脫節(jié)3．更高要求：設(shè)計人員同時具備硬器件、軟件和應(yīng)用等多方面知識；軟件設(shè)計周期較長，需要有效的設(shè)計環(huán)境和開發(fā)工具；4．趨勢：軟硬件交界面上升三、系統(tǒng)設(shè)計的定量原理

1.大概率事件優(yōu)先原理

對于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。----最重要、最廣泛采用的設(shè)計準(zhǔn)則，能明顯提高整個系統(tǒng)性能。

例如：相加運算溢出/不溢出

2.阿姆達(dá)爾(Amdahl)定律

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)性能的提高與這種方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。

假設(shè)對機器進(jìn)行某種改進(jìn)，定義加速比為改進(jìn)前后性能或時間的比值：Fe是計算機執(zhí)行某個任務(wù)的總時間中可被改進(jìn)部分的時間所占的百分比，總小于1。Se是改進(jìn)部分采用改進(jìn)措施后比沒有采用改進(jìn)措施前性能提高的倍數(shù)，總大于1。當(dāng)Fe為0，即沒有可改進(jìn)部分時，Sp為1，所以性能的提高幅度受改進(jìn)部分所占比例的限制。當(dāng)Se→∞時，則Sp1-Fe。因此，可獲取性能改善的極限值受到Fe值的約束;【例題】假設(shè)系統(tǒng)某一部件的處理速度加快10倍，該部件的原處理時間僅為整個運行時間的40%，則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少?

2023/2/5設(shè)求浮點數(shù)平方根FPSQR操作占整個測試程序執(zhí)行時間的20％，現(xiàn)加快執(zhí)行速度，有兩種改進(jìn)方法。一種是采用FPSQR硬件，使其速度加快到10倍。另一種實現(xiàn)方法是使所有的浮點數(shù)指令FP速度加快到2倍，設(shè)FP指令占整個程序執(zhí)行時間的50％請比較兩種方法的優(yōu)劣。

3.CPU性能公式

一個程序所花的CPU時間CPUT可如下描述：CPUT=NC×t=NC/f

NC為CPU時鐘周期總數(shù)，t為時鐘周期長度，f為頻率CPUT=IC×CPI×t=(IＮ×CPI)/f

IC為指令的條數(shù),CPI為每條指令的平均時鐘周期數(shù)結(jié)論：CPU的性能與3個要素有關(guān)：①時鐘頻率f；②每條指令所花的時鐘周期數(shù)CPI；③指令條數(shù)IC。其中時鐘頻率取決于硬件技術(shù)和組織，CPI取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織和指令集，指令數(shù)目取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指令集和編譯技術(shù)。2023/2/5CPI=CPU時鐘周期總數(shù)/ICIC表示一個程序的指令條數(shù)CPI表示每條指令平均時鐘周期數(shù)計算CPU時鐘周期總數(shù)NC：

Ii表示i指令在程序中執(zhí)行的次數(shù)，CPIi表示i指令所需的平均時鐘周期數(shù)，n為指令種類數(shù)?？傻肅PI表示---用于設(shè)計方案評價：

Ii/IC表示i指令在程序中所占的比例??====niCCniIIiCPIiIIiCPIiCPI11)*()*(例題：

某系統(tǒng)中浮點操作的比例為25%，平均CPI為4.0。其他指令的平均CPI約為1.33。浮點平方操作比例為2%，CPI為20。分別把浮點平方操作和其他所有浮點操作的CPI減為2，哪個方案較好？原系統(tǒng)CPI=(4*25%)+(1.33*72%)=2.0方案1CPI=？方案2CPI=？例4：有兩臺機器，它們對條件轉(zhuǎn)移指令的處理采用不同的設(shè)計方案：1.CPUA采用一條比較指令來設(shè)置相應(yīng)的條件碼，由緊隨其后的一條轉(zhuǎn)移指令對此條件碼進(jìn)行測試，以確定是否進(jìn)行轉(zhuǎn)移。因此實現(xiàn)一次條件轉(zhuǎn)移要執(zhí)行比較和測試兩條指令。2.CPUB采用比較和測試兩種功能合在一條指令的方法，這樣實現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移只需一條指令。

假設(shè)在這兩臺機器的指令系統(tǒng)中，執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令需2個時鐘周期，而其他指令只需1個時鐘周期。又假設(shè)CPUA中，條件轉(zhuǎn)移指令占總執(zhí)行指令條數(shù)的20%。由于每條轉(zhuǎn)移指令都需要一條比較指令，所以比較指令也將占20%。由于CPUB在轉(zhuǎn)移指令中包含了比較功能，因此它的時鐘周期就比CPUA要慢25%。

1問CPUA和CPUB哪個工作速度更快些?

如果CPUB的時鐘周期只比CPUA的慢10%，那么哪一個CPU會工作得更快些?[解]

設(shè)CPUA的時鐘周期長度為tA，CPUB的時鐘周期長度為tBCPIA=0.2×2+0.8×1=1.2TcpuA=IＮA×1.2×tACPUB中由于沒有比較指令，轉(zhuǎn)移指令由原來占20%上升為20%÷80%=25%，它需要2個時鐘周期，而其余的75%指令只需1個時鐘周期，所以

CPIB=0.25×2+0.75×1=1.25CPUB中由于沒有比較指令，因此IＮB=0.8×IＮA。又因tB=1.25tA，所以TcpuB=IＮB×CPIB×tB

=0.8IＮA×1.25×1.25tA

=1.25IＮA×tA可見TcpuA＜TcpuB，故CPUA比CPUB運行得更快些。4.程序訪問的局部性規(guī)律程序訪問的局部性主要反映在時間和空間局部性兩個方面。

時間局部性是指程序中近期被訪問的信息項可能馬上將被再次訪問；

空間局部性指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能被一起訪問。例如：20%--80%定律四、評價標(biāo)準(zhǔn)

----性能價格比1、性能的標(biāo)準(zhǔn)過去：主頻現(xiàn)在：時間標(biāo)準(zhǔn)

程序執(zhí)行時間=CPU時間(用戶CPU時間+系統(tǒng)CPU時間)+I/O時間+訪存時間…

常用替代標(biāo)準(zhǔn)：

(1)MIPS(millioninstrctionspersecond)

對于一個給定的程序，MIPS定義為:

MIPS=IN/(TE×106)

=IN/(IN×CPI×t×106)=f/(CPI×106)

IN表示執(zhí)行程序中的指令總數(shù)，TE表示執(zhí)行該程序所需時間，

t為時鐘周期長度，f為時鐘頻率。

不足之處：1.MIPS依賴于指令系統(tǒng)，對指令系統(tǒng)不同的機器不準(zhǔn)確；2.同一機器上，MIPS因程序不同而變化，有時差距很大；3.可能于實際性能相反：如可選浮點硬件，優(yōu)化編譯，向量機常用替代標(biāo)準(zhǔn)：

(2)MFLOPS(millionfloatingpointoperationspersecond)

每秒百萬次浮點運算

MFLOPS=IFN/(TE×106)

IFN表示程序中的浮點運算次數(shù)，TE表示執(zhí)行程序所需時間特點與不足：1.由于MFLOPS基于操作而非指令，所以可用來比較兩種不同的機器。這是因為同一程序在不同的機器上執(zhí)行的指令可能不同，但是執(zhí)行的浮點運算卻是完全相同的；2.只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器整體的性能；3.依賴于機器的浮點運算集和操作類型；常用替代標(biāo)準(zhǔn)：

(3)測試程序

4類按測試可靠性由高至低順序列出：

真實程序：如C編譯程序、Tex正文處理軟件、CAD工具、多媒體處理等。通過運行真實程序，用戶也可以知道計算機性能；

核心程序：從真實程序中抽取少量關(guān)鍵循環(huán)程序段來評價機器性能；

小測試程序：通常程序代碼在100行以下，運行結(jié)果可以預(yù)知；

綜合測試程序：類似于核心程序，但考慮了各種操作和各種程序的比例，與核心程序相比，前者是從真實程序中抽象出來的，而綜合測試程序是為了體現(xiàn)平均執(zhí)行而人為編制的。

2、性能的比較下表列出了兩個程序在A、B、C3臺機器上的執(zhí)行時間，如何比較三臺機器的性能呢?

執(zhí)行時間(秒)ABC程序111020程序210001020(1)算術(shù)平均值法

Ti是第i個程序的執(zhí)行時間，n是工作負(fù)荷中的程序數(shù)目

加權(quán)算術(shù)平均值進(jìn)一步考慮各個程序在一個任務(wù)中的比重，記為相應(yīng)權(quán)值，將權(quán)因子和執(zhí)行時間的積相加:

Wi是第i個程序在任務(wù)中所占的比重，Ti是相應(yīng)執(zhí)行時間(2)調(diào)和平均值法

適用：性能是用速度(如MFLOPS)表示

Ri表示由n個程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個程序的速度，

Ti為第i個程序執(zhí)行時間

加權(quán)調(diào)和平均值(3)幾何平均值法

源于性能規(guī)格化的方法，即以某臺機器性能作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其他機器性能則除以該參考標(biāo)準(zhǔn)而獲得一個比值。如果比值相同，可認(rèn)為這些機器具有相同的性能。

特性：不論取哪一臺機器作參考機，Gm均能保持比較結(jié)果的一致性。而Am和Hm由于沒有這樣的特性，因而在做比較時不如Gm方便。3、成本與價格(1)成本的構(gòu)成一次性開發(fā)成本（設(shè)計成本）重復(fù)生產(chǎn)成本開發(fā)工具的折舊費用(2)成本的變化趨勢軟件：免費贈送—有價商品開發(fā)成本高，盜版，壟斷，技術(shù)保密硬件：不斷下降

需求量大2023/2/5§1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響因素一、軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1、問題的提出

·軟件成本越來越高

·軟件產(chǎn)量和可靠性的提高困難

·積累了大量成熟的軟件

·排錯比編寫困難、軟件生產(chǎn)率低系統(tǒng)更新?lián)Q代，不希望重新編寫軟件

——可移植性問題2、可移植性的定義軟件不用修改或只需少量加工就能由一臺機器搬到另一臺機器上運行，即同一軟件可以應(yīng)用于不同的環(huán)境。實現(xiàn)軟件可移植性的幾種技術(shù)技術(shù)一：統(tǒng)一高級語言

技術(shù)二：采用系列機思想

技術(shù)三：模擬與仿真

技術(shù)一：統(tǒng)一高級語言方法：采用滿足各種應(yīng)用需要的通用高級語言，編操作系統(tǒng)的全部或一部分，編應(yīng)用軟件。

適用：各種機器(CA相同與否)存在的問題：

a不同的用途要求不同的語法和語義結(jié)構(gòu)

b對語言的基本結(jié)構(gòu)沒有透徹和統(tǒng)一的認(rèn)識如：GOTO語句不一致同種語言廠家實現(xiàn)不同

c習(xí)慣勢力的影響，不愿拋棄慣用

前景：很困難——重要方向限定在一部分語言在局部范圍內(nèi)統(tǒng)一技術(shù)二：采用系列機思想方法：統(tǒng)一匯編語言、機器語言定義：同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)但有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器，稱為系列機。例如：IBM360/370系列適用：

CA相同系列機CA設(shè)計慎重，可必要擴(kuò)充系列機特點：

a與“從中間開始”的設(shè)計方法相呼應(yīng)；

b較好地解決了軟件環(huán)境相對穩(wěn)定

c與硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾兼容機：不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機1．采用新的組成實現(xiàn)技術(shù)，具有更高的性能/價格比2．對原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行某種擴(kuò)展1)軟件兼容（compatibility）具有相同的機器屬性，區(qū)別在于運行時間不同編譯軟件相同，OS不一定相同2）軟件兼容分類

·向上（下）兼容

·向前（后）兼容

·向上（下）兼容按某檔機器編制的軟件，不加修改就能運行于比它高（低）檔的機器上

·向前（后）兼容按某個時期投入市場的該型號機器上編制的軟件，不加修改就能運行于在它之前（后）投入市場的機器上系列機要求：保證向后兼容力爭做到向上兼容技術(shù)三：模擬與仿真

一、問題的提出不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機上移植——實現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、模擬（Simulation）

1．

特點在A機器上模擬實現(xiàn)B機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)A有B的指令系統(tǒng)

2．

定義

模擬:用機器語言解釋實現(xiàn)程序移植的方法被模擬的——虛擬機模擬用的——宿主機解釋程序——模擬程序

3．

內(nèi)容指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等，形成OS

4．缺點1）模擬程序很復(fù)雜、編費時2）速度較低、實時性差、不能被硬件直接執(zhí)行適用運行時間短、使用次數(shù)少、時間約束和限制少

5．改進(jìn)可采用高級語言編制、采用仿真方法

三、仿真（Emulation）

1．

特點少兩重解釋（機器語言、微程序）

2．

定義

仿真:用微程序直接解釋另一種機器指令系統(tǒng)的方法進(jìn)行仿真的——宿主機被仿真的——目標(biāo)機解釋微程序——仿真微程序

3．內(nèi)容把目標(biāo)機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一一映像到宿主機上，形成OS

4．優(yōu)點被移植的軟件運行速度較高

5．缺點仿真程序更復(fù)雜靈活性差

6．區(qū)別仿真——微程序——控存中模擬——機器語言——主存中

7．問題和進(jìn)展很難優(yōu)化仿真差別大的1）通用宿主機結(jié)構(gòu)的研究位片式微處理器+不同微程序=不同型號的機器2）微程序匯編語言、高級語言、開發(fā)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)總結(jié)：

A統(tǒng)一高級語言解決結(jié)構(gòu)相同或完全不同的各種機器上的軟件移植，是重要方向問題：語言標(biāo)準(zhǔn)化很重要，短期很難，只能相對統(tǒng)一

B系列機普遍采用，只解決同一系列結(jié)構(gòu)內(nèi)的軟件兼容問題：兼容的約束阻礙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)取得突破進(jìn)展C模擬靈活性較大，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移植問題：結(jié)構(gòu)差別大時，效率和速度急劇下降D仿真速度損失小，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移植問題：靈活性較小，只能在結(jié)構(gòu)差別不大的機器間采用。需結(jié)合模擬。E其他方法：異種機聯(lián)網(wǎng)設(shè)計機器，要考慮滿足軟件兼容，提供可移植手段。匯編級兼容操作系統(tǒng)兼容1.4.2應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

40~50年代初ENIAC科學(xué)計算

50年代中、末

商業(yè)、事務(wù)處理（I/O量大）〈專用機〉工業(yè)控制（中斷、實時）60年代中期科學(xué)計算特殊環(huán)境事務(wù)處理〈通用機+系列機〉加固型實時控制

良性循環(huán)——型號減少、產(chǎn)量大、質(zhì)量可靠性提高、降低價格計算機的發(fā)展歷史,多功能通用化巨、大、中、小、微型機的性能、價格隨時間變化的趨勢P20圖1.10以價格為劃分標(biāo)準(zhǔn)虛線為等性能線，隨時間是動態(tài)下移的同種機器價格在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持不變途徑價格不變提高性能（沿水平線）性能不變降低價格（沿虛線）60年代末70年代初特高可靠性容錯技術(shù)70年代中末特高速處理要求陣列機向量機80年代非數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)和信息管理計算機應(yīng)用分:數(shù)據(jù)、信息、知識、智能處理

90年代末1.4.3器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

電子管晶體管小規(guī)模ICLSI和VLSI四代以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)電子管小規(guī)模IC18年小規(guī)模ICVLSI8年指數(shù)型摩爾定律主要動力最活躍的因素一、器件的功能和使用方法會影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成二、器件是推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的關(guān)鍵因素三、器件的發(fā)展改變了邏輯設(shè)計的傳統(tǒng)方法70年代中80年代初80年代中非用戶片現(xiàn)場片半用戶片全用戶片

PROM/PAL/GAL門陣列FPGA1.5并行性的發(fā)展及計算機系統(tǒng)分類

1.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展

一、并行的概念

并行性（parallelism）：可以同時進(jìn)行運算或操作的特性目的：提高效率例：CPU內(nèi)重疊流水OS中的多道程序分時兩重含義：同時性同一時刻（simultaneity）并發(fā)性同一間隔（concurrency）2023/2/5

1.并行性的含義與并行性級別從計算機系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可以分為四級。它們分別是：指令內(nèi)部——一條指令內(nèi)部各個微操作之間的并行。指令之間——多條指令的并行執(zhí)行。任務(wù)或進(jìn)程之間——多個任務(wù)或程序段的并行執(zhí)行。作業(yè)或程序之間——多個作業(yè)或多道程序的并行。2023/2/5從計算機系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的并行性來看，并行性等級從低到高可以分為：位串字串——同時只對一個字的一位進(jìn)行處理，這通常是指傳統(tǒng)的串行單處理機，沒有并行性。位并字串——同時對一個字的全部位進(jìn)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。位片串字并——同時對許多字的同一位(稱位片)進(jìn)行處理，開始進(jìn)入并行處理領(lǐng)域。全并行——同時對許多字的全部或部分位組進(jìn)行處理。2023/2/5并行性是貫穿于計算機信息加工的各個步驟和階段的，從這個角度來看，并行性等級又可分為：存貯器操作并行——可以采用單體多字、多體單字或多體多字方式在一個存貯周期內(nèi)訪問多個字，進(jìn)而采用按內(nèi)容訪問方式在一個存貯周期內(nèi)用位片串字并或全并行方式實現(xiàn)對存貯器中大量字的高速并行比較、檢索、更新、變換等操作。典型的例子就是并行存貯器系統(tǒng)和以相聯(lián)存貯器為核心構(gòu)成的相聯(lián)處理機。2023/2/5處理器操作步驟并行——處理器操作步驟可以指一條指令的取指、分析、執(zhí)行等操作步驟，也可指如浮點加法的求階差、對階、尾加、舍入、規(guī)格化等具體操作的執(zhí)行步驟。處理器操作步驟并行是將操作步驟或具體操作的執(zhí)行步驟在時間上重疊流水地進(jìn)行。典型的例子就是流水線處理機。處理器操作并行——為支持向量、數(shù)組運算，可以通過重復(fù)設(shè)置大量處理單元，讓它們在同一控制器的控制下，按照同一條指令的要求對多個數(shù)據(jù)組同時操作。典型的例子就是陣列處理機。2023/2/5指令、任務(wù)、作業(yè)并行——這是較高級的并行，雖然它也可包含如操作、操作步驟等較低等級的并行，但原則上與操作級并行是不同的。指令級以上的并行是多個處理機同時對多條指令及有關(guān)的多數(shù)據(jù)組進(jìn)行處理，而操作級并行是對同一條指令及其有關(guān)的多數(shù)據(jù)組進(jìn)行處理。因此，前者構(gòu)成的是多指令流多數(shù)據(jù)流計算機，后者構(gòu)成的則是單指令流多數(shù)據(jù)流計算機。典型的例子是多處理機。

二、提高并行性的技術(shù)途徑1．時間重疊引入時間概念輪流使用同一套硬件設(shè)備的各部分例：指令分取指、分析、執(zhí)行三大步驟P26圖1.11優(yōu)點：不需要增加硬件2023/2/52．資源重復(fù)引入空間因素重復(fù)設(shè)置多套硬件

P26圖1.12

——提高速度提高可靠性例：雙工系統(tǒng)3．資源共享利用軟件讓多個用戶輪流使用同一套資源例：多道程序分時系統(tǒng)

三、并行性等級

1．

從執(zhí)行程序角度低高

指令內(nèi)—硬件和組成技術(shù)—微操作之間

指令間—相關(guān)問題—多條指令并行執(zhí)行

任務(wù)或進(jìn)程間—分解—任務(wù)或程序段

作業(yè)或程序間—并行算法—作業(yè)或多道程序

2．從數(shù)據(jù)處理角度

位串字串—無并行性—一個字的一位

位并字串—開始出現(xiàn)并行—一個字的全部位

位片串字并—進(jìn)入并行—許多字的同一位

位并字并—全并行—許多字的