《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案(課1)課件

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2014.2.171計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程概況教材《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》張晨曦等，清華大學(xué)出版社，2009參考書計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解張晨曦等，清華大學(xué)出版社，2009輔助資料（到公共郵箱下載）補充習(xí)題與實驗，MIPS64指令集，實驗?zāi)M軟件等總學(xué)時：40第1章：2第2章：2第3章：6第5章：2第6章：2第7章：8第8章：4第9章：4第10章：4習(xí)題：2復(fù)習(xí)：2停課：22014.2.172計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson,ComputerAchitecture:AQuantitativeApproach,3thedition,MorganKaufmann,2002.外文參考書2014.2.173計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各次作業(yè)應(yīng)交的內(nèi)容（9個周三）2014.2.175計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)與考試說明1.每周三課堂內(nèi)交作業(yè)，下周一發(fā)還。忘帶作業(yè)者可在下周一補交，再遲不收，等最后一次課交來登記“遲交”。建議準(zhǔn)備2個作業(yè)本交替使用；2.每次作業(yè)記分，百分制，其平均值作為本課程總分的20%。遲交作業(yè)記60分。最后一次課仍未完成的作業(yè)為缺交，記0分；3.寫作業(yè)不要抄題，但要將計算過程、答數(shù)寫完整；4.發(fā)回來的作業(yè)本應(yīng)批注“閱”字，否則表明缺題，沒有評閱和記分；5.作業(yè)批改時，老師只標(biāo)出錯誤的地方，一般情況下未標(biāo)記的題目為正確答案；6.考試為閉卷，知識范圍及題型與平時作業(yè)基本相同；7.課件與有關(guān)資料請到公共郵箱拷貝；8.答疑以E-mail形式為主，林老師的郵箱是；9.林老師的辦公電話是87792429（有急事聯(lián)系用，不作為答疑）。2014.2.176計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源公共郵箱：用戶帳號：用戶密碼：c12-s502（注意字母是小寫）郵箱內(nèi)容：下載課件、輔助資料等教材輔助：

2014.2.177計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.1計算機系統(tǒng)層次模型———跨越語義鴻溝的解決之道1.1基本概念復(fù)雜的人類自然語言逐級翻譯簡單的邏輯電路語言L6：專用應(yīng)用語言虛擬機L5：通用高級語言虛擬機L4：匯編語言虛擬機L3：操作系統(tǒng)語言虛擬機L2：機器語言（傳統(tǒng)機器）L1：微指令語言虛擬機L0：邏輯電路物理機L7：自然應(yīng)用語言虛擬機軟件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)2014.2.179計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是什么？廣義定義：程序員必須掌握的計算機屬性（P3，Amdahl定義）狹義定義：機器語言程序員必須掌握的計算機屬性

（包括：數(shù)據(jù)表示、尋址規(guī)則、寄存器組織、指令系統(tǒng)、中斷機構(gòu)、機器工作狀態(tài)、存儲系統(tǒng)、信息保護(hù)手段、輸入/輸出結(jié)構(gòu)與管理）理解：如果兩臺計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，則它們對軟件來說具有完全相同的屬性，所以軟件在它們上面是互相通用的，即互為“兼容機”。

兼容機：指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同而組成、實現(xiàn)技術(shù)不同的計算機。1.1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義2014.2.1710計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課教什么？學(xué)科定義：通過硬軟件結(jié)合方法提高計算機性能的理論與技術(shù)說明：1.計算機性能指速度、容量等；2.提高計算機性能的硬件技術(shù)———由“組成原理”負(fù)責(zé)（如并行主存）；3.提高計算機性能的軟件技術(shù)———由“計算方法”負(fù)責(zé)（指各種優(yōu)化算法）。舉例：“虛擬存儲器”就是一種通過硬軟件結(jié)合方法提高計算機存儲容量的技術(shù)。1.1.3計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)2014.2.1711計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.2“透明性”概念（P3）1.1.3計算機組成和計算機實現(xiàn)（P3）1.2.3計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法（P12）1.4.2軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響（P19）1.5.1并行性的概念（P23）1.5.2提高并行性的技術(shù)途徑（P25）1.5.4多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展（P26）其它定性知識（自行閱讀）2014.2.1713計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一組：Amdahl定律（加速比公式）1.加速比定義（1.1）2.基本Amdahl定律（加快經(jīng)常性事件原理）（1.2）上式中：Sn──系統(tǒng)加速比（Speedup，下標(biāo)n意義不詳）；

To──原執(zhí)行時間（Timeold）；Tn──新執(zhí)行時間（Timenew）；Se──被改進(jìn)部分的部件加速比（enhanced）；

Fe──被改進(jìn)部分原執(zhí)行時間占原來總時間的百分比（Fraction）。1.2.1定量知識───三組性能公式（P7）2014.2.1714計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前程序運行總時間：改進(jìn)之后，由于部分操作加快，總時間下降為：根據(jù)定義，總加速比：基本Amdahl定律的推導(dǎo)2014.2.1715計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本Amdahl定律的極限這是一個非常有用的衍生公式。（1.2a）2014.2.1717計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知Fe=0.4，Se=15，求Sn（說明：在國外教材中，“加快15倍”就表示是它的15倍，國內(nèi)科技界目前也在逐步照此統(tǒng)一）解：使用基本Amdahl定律公式即系統(tǒng)加速比Sn=1.6倍（注意：遠(yuǎn)小于部件加速比）。例1.1（P8）2014.2.1718計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知Se=25，Sn=4，求Fe解：將已知參數(shù)代入基本Amdahl定律公式解得：Fe≈0.781例1.2（P8）2014.2.1719計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

已知Fe=0.4，Se=20（注：加快20倍即等于20倍）。求Sn，并畫出Se從0增長到+∞時Sn的曲線。解：

課堂練習(xí)（習(xí)題1.9，加1問）2014.2.1721計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.擴展Amdahl定律───多部件改進(jìn)公式（1.3）其中：Sn──系統(tǒng)加速比；Sei──第i個被改進(jìn)部分的部件加速比；

Fei──第i個被改進(jìn)部分原執(zhí)行時間占原來總時間的百分比。2014.2.1722計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴展Amdahl定律的推導(dǎo)記可同時改進(jìn)的部分?jǐn)?shù)為n，改進(jìn)之前程序運行總時間為上式右端方括弧內(nèi)“+”前項代表不可改進(jìn)部分總比例，“+”后項代表可改進(jìn)部分總比例。改進(jìn)之后程序運行總時間為代入加速比的定義式，得2014.2.1723計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.CPI——每指令周期數(shù)（CyclesPerInstruction，P9）（1.5）

CPI反映CPU執(zhí)行指令的效率。從CPU時間公式知，如果提高主頻（即縮短CYCLE）的同時也增加CPI，則CPU時間不一定會縮短。

CPI公式推導(dǎo)：

參照CPU總時間公式，可以寫出其中第i種指令的時間公式。設(shè)指令種類數(shù)為n，在順序執(zhí)行方式下CPU總時間又可以寫為

顯然這兩個Te公式右邊應(yīng)該相等，于是有。改寫它，就得到上面的CPI公式。它表明CPI為所有CPIi的加權(quán)平均值，而對應(yīng)的“權(quán)”就是該類指令所占的比例。2014.2.1725計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.差分形式的CPI公式——均值的增量等于增量的均值

或者（1.6）

有時題目只給出部分指令的CPIi變化量，求平均CPI的變化量，這時用基本CPI公式無法計算，就要用它的差分形式（不變部分被忽略）。差分CPI公式推導(dǎo)：把CPI公式展開：如果各類指令的比例不變，但周期數(shù)都變了：兩式相減：簡寫即為上面的差分CPI公式。2014.2.1726計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例1.4（原題見教材P9）要比較兩個機器的快慢，根據(jù)剛才所學(xué)的公式，可以比較它們的加速比Sn、每條指令周期數(shù)CPI、CPU時間、每秒百萬指令數(shù)MIPS等指標(biāo)，具體選擇應(yīng)看所給的已知條件更接近哪一個公式。本題看起來用CPU時間比較合適。題意分析：已知條件都是相對值，不便于建立絕對數(shù)字概念。不妨引進(jìn)一個輔助參量——指令總數(shù)M，這樣就可以把各個成分都表示成以M為基數(shù)的絕對值。另外用CYCLEA、CYCLEB分別代表CPUA、CPUB的時鐘周期。示意如下2014.2.1729計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例1.4（續(xù)）解：(1)假設(shè)CYCLEB=1.35CYCLEA

比較知：，CPUA更快。(2)假設(shè)CYCLEB=1.15CYCLEACPIA、CPU時間A、CPU時間B都與上面相同，但是

再次比較知：，CPUB更快。(3)結(jié)論：CPU時間受多種因素影響，一項改進(jìn)帶來的副作用有時會抵消其好處。2014.2.1730計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.MIPS（每秒百萬指令數(shù)，反映CPU執(zhí)行指令的速度）MillionInstructionsPerSecond，主要用于評測標(biāo)量計算機（1.7）2.MFLOPS（每秒百萬浮點數(shù)，反映CPU處理數(shù)據(jù)的速度，教材外補充）MillionFloationg-pointOperationsperSecond，主要用于評測向量計算機；(1.8)3.二者換算關(guān)系：，其中分母要根據(jù)具體程序來確定，例如對標(biāo)量運算可以取3。第三組：MIPS與MFLOPS公式（CPU速度）2014.2.1731計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例1.6（補充，習(xí)題指導(dǎo)書題1.44）某臺處理機的時鐘頻率為15MHz，執(zhí)行測試程序的速率為10MIPS，假設(shè)每次存儲器存取需1個時鐘周期的時間。(1)求處理機的CPI值；(2)假設(shè)將處理機的時鐘頻率提高到30MHz，但存儲器的工作速率不變，這使得每次存儲器存取需要2個時鐘周期。如果測試程序中30%指令需要1次訪存，5%指令需要2次訪存，其它指令不需要訪存，求該測試程序在改進(jìn)后的處理機上執(zhí)行的速率（MIPS）。解：(1)由，得(2)因為每條指令都有取指操作，所以此題說的“存儲器存取”應(yīng)指數(shù)據(jù)存取。整理上述條件知，30%指令的CPI增加1個時鐘周期（數(shù)據(jù)存取由1周期變2周期），5%指令的CPI增加2個時鐘周期（數(shù)據(jù)存取由2周期變4周期），65%指令不增加時鐘周期（不需數(shù)據(jù)存?。?。2014.2.1732計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例1.6（續(xù)）代入差分CPI公式得：現(xiàn)在評估處理機性能的改變。方法A：比較CPU時間。參照例1.4，也設(shè)指令總數(shù)為M，下面2式表明CPU時間縮短到原來的約0.63倍。方法B：比較CPU速度MIPS。下面2式表明CPU速度提高到原來的約1.6倍。（實際上1/0.63≈1.6，與CPU時間的比較等價。）2014.2.1733計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各次作業(yè)應(yīng)交的內(nèi)容作業(yè)1（第1次課）1.10(改)，1.7，1.11（要求用2解法）2014.2.1734計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題1.10(改寫，原題意不清)系統(tǒng)中有3個部件同時改進(jìn)，加速比分別為30、20和10。(1)如果前2個部件時間占總時間比例均為30%，第3個部件所占比例要達(dá)到多少，才能使系統(tǒng)加速比達(dá)到10？(2)如果3個部件時間占總時間比例分別為30%、30%、20%，改進(jìn)之后未被改進(jìn)部分時間占總時間的比例為多少？分析：解：2014.2.1735計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題1.71.7某臺主頻為400MHz的計算機執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下：求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。分析：解：2014.2.1736計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題1.11（要求至少用2種解法）假設(shè)浮點數(shù)指令中FP