《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案(課1)

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2課程概況教材《計算機(jī)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(jī)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(bǔ)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)：2五一：22011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3各次作業(yè)應(yīng)交的內(nèi)容作業(yè)說明1.作業(yè)成績占綜合成績的20%；2.每周交一次作業(yè)，周五課堂內(nèi)收取，下周一發(fā)還；3.作業(yè)缺題不批閱，待考前補(bǔ)交。補(bǔ)交記60分，考前仍缺交記0分；4.寫作業(yè)不要抄題；計算題要寫出答數(shù)，不能只列算式。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4網(wǎng)絡(luò)資源2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5第1章基礎(chǔ)知識本章內(nèi)容劃分為兩部分。定性知識：介紹幾個最重要的概念，其余自行閱讀。定量知識：重點介紹3組計算機(jī)性能公式。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)61.1.1計算機(jī)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(jī)L5：通用高級語言虛擬機(jī)L4：匯編語言虛擬機(jī)L3：操作系統(tǒng)語言虛擬機(jī)L2：機(jī)器語言（傳統(tǒng)機(jī)器）L1：微指令語言虛擬機(jī)L0：邏輯電路物理機(jī)L7：自然應(yīng)用語言虛擬機(jī)軟件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7計算機(jī)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(jī)屬性（P3，Amdahl定義）狹義定義：機(jī)器語言程序員必須掌握的計算機(jī)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(jī)構(gòu)、機(jī)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(jī)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(jī)”。

兼容機(jī)：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(jī)。1.1.2計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8計算機(jī)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(jī)性能的理論與技術(shù)說明：1.計算機(jī)性能指速度、容量等；2.提高計算機(jī)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(jī)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(jī)存儲容量的技術(shù)。1.1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)91.1.4計算機(jī)分類（P4，按并行性分類，只講Flynn分類法）按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性狀況把計算機(jī)分為：1.單指令流單數(shù)據(jù)流3.多指令流單數(shù)據(jù)流（SISD---SingleInstruction（MISD---MultipleInstructionStreamSingleDataStream）StreamSingleDataStream）2.單指令流多數(shù)據(jù)流4.多指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD---SingleInstruction（MIMD---MultipleInstructionStreamMultipleDataStream）StreamMultipleDataStream）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)101.1.2“透明性”概念（P3）1.1.3計算機(jī)組成和計算機(jī)實現(xiàn)（P3）1.2.3計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展（P26）其它定性知識（自行閱讀）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11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）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12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)2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13基本Amdahl定律的圖形從圖1.2可以看出，增大Se和Fe對Sn都有提升作用；但當(dāng)Fe固定時，一味增大Se對Sn的作用會越來越不顯著。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14基本Amdahl定律的極限這是一個非常有用的衍生公式。（1.2a）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15例1.1（P8）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）。例題2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16例1.2（P8）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例題2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17例1.5（補(bǔ)充）：選擇題：下列參數(shù)組中___對Amdahl公式無正常解

A.Fe=0.5，Sn=1.5B.Fe=0.6，Sn=2C.Fe=0.8，Sn=4D.Fe=0.9，Sn=15解：將4個選項中的Fe值分別代入基本Amdahl定律的極限公式獲得：LimSn(A)=2LimSn(B)=2.5LimSn(C)=5LimSn(D)=10再與各選項中Sn值比較，發(fā)現(xiàn)只有D組的Sn超過極限值，所以該組參數(shù)無正常解。答案是D。例題2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18

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）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)193.擴(kuò)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。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)20擴(kuò)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2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)21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？2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)221.CPU時間公式（P8，又稱為“

CPU性能公式

”）（1.4）其中：

Te──程序執(zhí)行的總時間（ExecuteTime）；

IC──程序包含的各種指令總數(shù)（InstructionCount）；

CPI──所有指令的平均周期數(shù)，也稱有效CPI、等效CPI；

CYCLE──系統(tǒng)時鐘的周期長度（秒）。

這個公式最初是用來描述順序執(zhí)行指令情況下的程序總時間，以后會把它推廣到并行操作情況，那時的CPI不是指每條指令的周期數(shù)，而是相鄰兩條指令啟動時刻的相差周期數(shù)。第二組：CPU時間與CPI公式（指令時間公式）2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)232.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。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)243.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。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)25例1.3（P9）比較兩種改進(jìn)方案的優(yōu)劣，已知方案1：把FPSQR類指令的CPI由20降至2；方案2：把FP類指令的CPI由4降至2。解法1：使用差分CPI公式，分別計算改進(jìn)后CPI的下降值。方案1（只改變FPSQR類指令）方案2（只改變FP類指令）結(jié)論：方案2的CPI的下降值更大，性能更好。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)26例1.3續(xù)解法2：利用原始CPI的唯一性，先使用已知條件表1～2行寫出一個表達(dá)式再使用3～4行列出另一個含待定參數(shù)的原始CPI表達(dá)式二式相等，從而可以解出X。以后就可以用基本CPI公式計算兩種方案的新CPI。同學(xué)們用此方法自己再練習(xí)一遍（不交）。注意差分CPI公式的適用場合：

只適用于指令CPIi改變而比值ICi/IC不變的題目，如果二者都變就不能直接套用了。下面就是一個這樣的例子。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)27例1.4（P9，見教材原題）要比較兩個機(jī)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2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)28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。2011.2.20計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)291.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(jī)（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(bǔ)充）MillionFloationg-pointOperationsperSecond，主要用于評測向量計算機(jī)；(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）2011.2.20計算