第1章-計算機系統(tǒng)概述

Ch1:ComputerAbstractions

計算機系統(tǒng)概述27二月2024第1講：計算機系統(tǒng)概述第2講：計算機性能評價第一講計算機系統(tǒng)概述計算機發(fā)展簡史IAS通用計算機模型機：馮.諾依曼結構IBM360系列機：引入兼容性（系列機）概念DECPDP-8：引入總線結構計算機系統(tǒng)的組成計算機硬件：CPU+MM+I/O計算機軟件：系統(tǒng)軟件+應用軟件計算機層次結構計算機硬件和軟件的接口：指令系統(tǒng)計算機軟件如何在硬件上執(zhí)行本課程主要內(nèi)容什么是計算機？計算機是一種能對數(shù)字化信息進行自動、高速算術和邏輯運算的通用處理裝置。計算機的功能：數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送、控制計算機的特點：高速：高速元件和“存儲程序”工作方式帶來高速性通用：體現(xiàn)在處理對象和應用領域沒有限制準確：精度足夠的算術運算帶來準確性智能：邏輯推理能力帶智能性計算機的功能和特點回顧：計算機發(fā)展簡史第一代：真空管（電子管VacuumTube）1946～57年46年誕生第1臺電子計算機ENIAC體積大，重30噸，有18000多個真空管，5000次加法/s十進制表示/運算，存儲器由20個累加器組成，每個累加器存10位十進制數(shù)，每一位由10個真空管表示。采用手動編程，通過設置開關和插拔電纜來實現(xiàn)。馮·諾依曼機（VonNeumannMachine）45年馮·諾依曼提出“存儲程序(Stored-program)”思想，并于46年開始設計“存儲程序”計算機?！按鎯Τ绦颉彼枷耄?/p>

將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動執(zhí)行。計算機能在不需操作人員干預下，自動完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務。

SKIPTheFirstGeneration:VacuumTubeComputers(1946-1957)Thefirstgeneral-purposecomputer-ENIACENIAC----NonvonNeumannModelBACK馮·諾依曼結構的主要思想計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個基本部件組成。各基本部件的功能是：存儲器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒有區(qū)別，但計算機應能區(qū)分數(shù)據(jù)還是指令；控制器應能自動執(zhí)行指令；運算器應能進行加/減/乘/除四種基本算術運算，并且也能進行一些邏輯運算和附加運算；操作人員可以通過輸入設備、輸出設備和主機進行通信。內(nèi)部以二進制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲程序”工作方式。計算機發(fā)展簡史第二代：晶體管1958～64年元器件：邏輯元件采用晶體管，內(nèi)存由磁芯構成，外存為磁鼓與磁帶。

特點：變址，浮點運算，多路存儲器，I/O處理機，中央交換結構(非總線結構)。軟件：使用高級語言，提供了系統(tǒng)軟件。代表機種：IBM7094(scientific)、1401(business)和DECPDP-1DECPDP-1晶體管：Transistor計算機發(fā)展簡史第三代：SSI/MSI1965～71年元器件：邏輯元件與主存儲器均由集成電路（IC）實現(xiàn)。特點：微程序控制，Cache，虛擬存儲器，流水線等。代表機種：IBM360和DECPDP-8（大/巨型機與小型機同時發(fā)展）巨型機(Supercomputer)：Cray-1大型機(Mainframe)：IBM360系列小型機(Minicomputer)：DECPDP-8Cray-1IBMSystem/360系列計算機IBM公司于1964年研制成功引入了“兼容機”（“系列機”）概念兼容機的特征：相同的或相似的指令集相同或相似的操作系統(tǒng)更高的速度更多的I/O端口數(shù)更大的內(nèi)存容量更高的價格低端機指令集是高端機的一個子集，稱為“向后兼容”。功能相同，而性能不同。IBM360問題1：引入“兼容機”有什么好處？問題2：實現(xiàn)“系列機”的關鍵是什么？DEC公司的PDP-8機同在64年出現(xiàn)。與IBM360相比，價格更低、更小巧，因而被稱為小型機（Minicomputer）PDP-8“創(chuàng)造了小型機的概念，并使之成為數(shù)十億美元的工業(yè)”，使DEC成為了最大的小型機制造商。主要特點：首次采用總線結構。

Omnibus總線包含了96個獨立的信號通道，用以傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信號。這種結構具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置。PDP–8/E計算機系統(tǒng)框圖問題：“總線結構”有什么好處？具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置節(jié)省器件，體積小，價格便宜計算機發(fā)展簡史（第四代：LSI/VLSI/ULSI1972～至今）微處理器和半導體存儲器技術發(fā)展迅猛，微型計算機出現(xiàn)。使計算機以辦公設備和個人電腦的方式走向普通用戶。半導體存儲器70年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個相對大容量半導體存儲器74年位價格低于磁芯的半導體存儲器出現(xiàn)，并快速下跌從70年起，存儲密度呈4倍提高（幾乎是每3年）微處理器微處理器芯片密度不斷增加，使CPU中所有元件放在一塊芯片上成為可能。71年開發(fā)出第一個微處理器芯片4004。特點：共享存儲器，分布式存儲器及大規(guī)模并行處理系統(tǒng)以后幾代（標準、意見不一）

（注：有稱第四代是VLSI，從80年代開始；也有稱第四代是LSI，從72年開始；有的又分成LSI時代和VLSI時代）計算機硬件：打開計算機來看看PC主板CPU插座內(nèi)存條PCI總線插槽解剖一臺計算機

個人計算機由主機和外設組成主機中包含多個電路板每個電路板中有十幾個集成電路每個集成電路中有十幾個模塊每個模塊中有上千萬個單元每個單元中有十幾個門電路每個門電路實現(xiàn)基本的邏輯運算

所有信息都用二進制編碼表示IntegratedCircuitsmanufacturingprocess

單晶硅錠圓形薄片/硅拋光片（6/8/12寸,厚度不足1mm）IC小片/芯片不合格的用磁漿點上記號封裝：將芯片固定在塑膠或陶瓷基座上，把芯片上蝕刻出來的引線與基座底部伸出的引腳連接，蓋上蓋板并封焊成芯片約需400多道工序！“晶圓”/大芯片Pentium4處理器內(nèi)部布局Hardware/SoftwareInterface…,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,......temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)100011000100111100000000

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00000100軟件硬件Hardware/SoftwareInterface（界面）機器語言由指令代碼構成，能被硬件直接執(zhí)行。軟件和硬件的界面：ISA（InstructionSetArchitecture）指令集體系結構軟件硬件SoftwareSystemsoftware(系統(tǒng)軟件)-

簡化編程過程，使硬件資源被有效利用

操作系統(tǒng)（OperatingSystem）：硬件資源管理，用戶接口語言處理系統(tǒng)：翻譯程序+Linker,Debug,Loader,etc…翻譯程序(Translator)有三類：匯編程序(Assembler)：匯編語言源程序→機器語言目標程序編譯程序(Complier)：高級語言源程序→匯編/機器語言目標程序解釋程序(Interpreter)：將高級語言語句逐條翻譯成機器指令并立即執(zhí)行,不生成目標文件。其他實用程序:如：磁盤碎片整理程序、備份程序等Applicationsoftware(應用軟件)

-解決具體應用問題/完成具體應用任務各類媒體處理程序：Word/Image/Graphics/…管理信息系統(tǒng)(MIS)Game,…ComputerHierarchy（計算機系統(tǒng)層次）I/OCPUCompilerOperatingSystemApplicationDigitalDesignCircuitDesign°上圖給出的是計算機系統(tǒng)的層次結構指令系統(tǒng)（即ISA）是軟/硬件的交界面InstructionSetArchitecture°不同用戶工作在不同層次，所看到的計算機不一樣最終用戶EndUser應用程序員ApplicationProgrammer系統(tǒng)管理員SystemAdministrator系統(tǒng)程序員SystemProgrammerMMAssembler°中間陰影部分就是本課程主要內(nèi)容，處于最核心的部分！一個典型系統(tǒng)的硬件組成PC：程序計數(shù)器；ALU：算術/邏輯單元；USB：通用串行總線CPUMMInput/Output一個典型程序的轉換處理過程1#include<stdio.h>23intmain()4{5printf("hello,world\n");6}經(jīng)典的“hello.c”C-源程序#include<sp><stdio.3510511099108117100101326011511610010511146h>\n\nint<sp>main()\n{1046210101051101163210997105110404110123\n<sp><sp><sp><sp>printf("hel103232

32

321121141051101161024034104101108lo,<sp>world\n");\n}10811144321191111141081009211034415910125hello.c的ASCII文本表示計算機能夠直接識別hello.c源程序嗎？不能，需要轉換為機器語言代碼!即：編譯程序的功能是：輸出“hello,world”Hello程序的數(shù)據(jù)流動過程“hello”Hello可執(zhí)行文件Red：shell命令行處理Blue：可執(zhí)行文件加載Cyan：hello程序執(zhí)行過程“hello”“hello,world/n”“hello,world/n”所有過程都是在CPU執(zhí)行指令所產(chǎn)生的控制信號的作用下進行的。數(shù)據(jù)經(jīng)常在各存儲部件間傳送。故現(xiàn)代計算機大多采用“緩存”技術！unix>./hellohello,worldunix>[Enter]該課程的主要學習內(nèi)容信息（指令和數(shù)據(jù)）在計算機中如何表示？指令系統(tǒng)如何設計？如何設計高性能CPU?如何設計存儲器系統(tǒng)？如何設計I/O?如何設計總線BUS?CourseOutline性能評價（Performancemeasurement）計算機算術（ArithmeticforComputer）數(shù)據(jù)的表示和運算存儲器層次結構（MemoryHierarchies）指令集體系結構（InstructionSetArchitecture）CPU設計數(shù)據(jù)通路(Datapath)和控制器(ControlUnit)流水線技術(Pipelining)系統(tǒng)總線（SystemBuses）輸入/輸出系統(tǒng)（Input/Outputsystem）第二講計算機性能評價制造成本（manufacturingcost）衡量計算機性能的基本指標響應時間（responsetime）執(zhí)行時間（executionTime）、等待時間（latency）throughput（吞吐量）帶寬（bandwidth）

計算機性能測量

指令執(zhí)行速度（MIPS、MFLOPS）基準程序（Benchmark）單晶硅錠圓形薄片/硅拋光片（6/8/12寸,厚度不足1mm）IC小片/芯片不合格的用磁漿點上記號封裝：將芯片固定在塑膠或陶瓷基座上，把芯片上蝕刻出來的引線與基座底部伸出的引腳連接，蓋上蓋板并封焊成芯片約需400多道工序！“晶圓”/大芯片回顧:IntegratedCircuitsCosts---manufacturingprocess在考察性能前，先考察成本！IntegratedCircuitsCosts公式Diecost=

Diesperwafer=

DieYield=

由此看出：每個圓晶片上的小片數(shù)、集成電路成本都與芯片面積有關！小片合格率芯片成本與以下因素有關：圓晶價格圓晶所含小片數(shù)小片合格率2))___(1(1areaDieareaperDefectx+計算機性能的基本評價指標"XisntimesfasterthanY"means

ExTime(Y) Performance(X) =

ExTime(X) Performance(Y)相對性能用執(zhí)行時間的倒數(shù)來表示！°計算機有兩種不同的性能°Timetodothetask響應時間（responsetime）執(zhí)行時間（executiontime）等待時間或時延（latency）°Tasksperday,hour,sec,ns...吞吐率（throughput）帶寬（bandwidth）°基本的性能評價標準是：CPU的執(zhí)行時間不同應用場合用戶關心的性能不同：要求吞吐率高的場合，例如：

多媒體應用（音/視頻播放要流暢）要求響應時間短的場合：例如：

事務處理系統(tǒng)（存/取款速度要快）要求吞吐率高且響應時間短的場合：

ATM、文件服務器、Web服務器等計算機性能的測量比較計算機的性能時，用執(zhí)行時間來衡量完成同樣工作量所需時間最短的那臺計算機就是性能最好的處理器時間往往被多個程序共享使用，因此，用戶感覺到的程序執(zhí)行時間并不是程序真正的執(zhí)行時間（從hello程序執(zhí)行過程可知）通常把用戶感覺到的響應時間分成以下兩個時間：CPU時間：指CPU真正花在程序執(zhí)行上的時間。又包括兩部分：用戶CPU時間：用來運行用戶代碼的時間系統(tǒng)CPU時間：為了執(zhí)行用戶程序而需要運行操作系統(tǒng)程序的時間其他時間：指等待I/O操作完成或CPU花在其他用戶程序的時間系統(tǒng)性能和CPU性能不等價，有一定的區(qū)別系統(tǒng)性能(Systemperformance)：系統(tǒng)響應時間，與CPU外的其他部分也都有關系CPU性能(CPUperformance)：用戶CPU時間本章主要討論CPU性能，即：CPU真正用在用戶程序執(zhí)行上的時間問題：用戶CPU時間與系統(tǒng)響應時間哪個更長？CPU執(zhí)行時間的計算CPU執(zhí)行時間

=CPU時鐘周期數(shù)/程序X

時鐘周期=CPU時鐘周期數(shù)/程序÷

時鐘頻率=

指令條數(shù)/程序XCPIX時鐘周期CPU時鐘周期數(shù)/程序=

指令條數(shù)/程序XCPICPI=CPU時鐘周期數(shù)/程序÷指令條數(shù)/程序CPI用來衡量以下各方面的綜合結果InstructionSetArchitecture（ISA）ImplementationofthatarchitectureProgram（Compiler、Algorithm）CPI：CyclesPerInstructionAspectsofCPUPerformanceCPUtime=Seconds=InstructionsxCyclesxSeconds Program ProgramInstructionCycle

instr.count CPIclockrateProgramCompilerInstr.SetArch.OrganizationTechnology思考：三個因素與哪些方面有關？AspectsofCPUPerformanceCPUtime=Seconds=InstructionsxCyclesxSeconds Program ProgramInstructionCycle

instr.count CPIclockrateProgram XXCompilerX(X)Instr.SetArch.XXOrganizationXXTechnologyX問題：ISA、計算機組織（Organization）、計算機實現(xiàn)技術（Technology）三者的關系是什么？Architecture=InstructionSetArch.+OrganizationComputerDesignComputerHardwareDesign°MachineImplementation°LogicDesigner'sView°"ProcessorArchitecture"°"ComputerOrganization""ConstructionEngineer"InstructionSetDesign°MachineLanguage°CompilerView°"ComputerArchitecture"°"InstructionSetProcessor""BuildingArchitect"“建筑設計師”功能定義與設計“建造工程師”考慮用什么材料，如何布線等例如，是否提供“乘法指令”是ISA設計要考慮的問題；如何實現(xiàn)乘法指令（用專門的乘法器還是用一個加法器+移位器實現(xiàn)）是組成（Organization）考慮的問題；如何布線、用什么材料、工藝設計等是計算機實現(xiàn)技術（Technology）考慮的問題。如何計算CPI?對于某一條特定的指令而言，其CPI是一個確定的值。但是，對于某一類指令、或一個程序、或一臺機器而言，其CPI是一個平均值，表示該類指令或該程序或該機器的指令集中每條指令執(zhí)行時平均需要多少時鐘周期。假定CPIi

、

Fi是各指令CPI和在程序中的出現(xiàn)頻率，則程序綜合CPI為:CPI=

where

=x∑niiiFCPI1CountnInstructioCFii_=CPU時間=

時鐘周期x假定CPIi和Ci分別為第i類指令的CPI和指令條數(shù)，則程序的總時鐘數(shù)為：=x∑niiiCCPI1=x∑niiiCCPI1總時鐘數(shù)=所以，CPI=(CPU時間×時鐘頻率)/指令條數(shù)=總時鐘周期數(shù)/指令條數(shù)已知CPU時間、時鐘頻率、總時鐘數(shù)、指令條數(shù)，則程序綜合CPI為:問題：指令的CPI、機器的CPI、程序的CPI各能反映哪方面的性能？

單靠CPI不能反映CPU的性能！為什么？如：單周期處理器CPI=1，但性能差！Example1程序P在機器A上運行需10s，機器A的時鐘頻率為400MHz?，F(xiàn)在要設計一臺機器B，希望該程序在B上運行只需6s.機器B時鐘頻率的提高導致了其CPI的增加，使得程序P在機器B上時鐘周期數(shù)是在機器A上的1.2倍。機器B的時鐘頻率達到A的多少倍才能使程序P在B上執(zhí)行速度是A上的10/6=1.67倍？Answer:

CPU時間A=時鐘周期數(shù)A/時鐘頻率A

時鐘周期數(shù)A=10secx400MHz=4000M個

時鐘頻率B=時鐘周期數(shù)B/CPU時間B=1.2x

4000M/6sec=800MHz機器B的頻率是A的兩倍，但機器B的速度并不是A的兩倍！MarketingMetrics（產(chǎn)品宣稱指標）MIPS =InstructionCount/Timex106=ClockRate/CPIx106MillionInstructionsPerSecond因為每條指令執(zhí)行時間不同，所以MIPS總是一個平均值。不同機器的指令集不同程序由不同的指令混合而成指令使用的頻度動態(tài)變化PeakMIPS:（不實用）所以MIPS數(shù)不能說明性能的好壞（用下頁中的例子來說明）MFLOPS=FPOperations/Timex106MillionFloating-pointOperationsPerSecond與機器相關性大并不是程序中花時間的部分用MIPS數(shù)表示性能有沒有局限?用MFLOPS數(shù)表示性能也有局限！問題：TFLOPS、PFLOPS等的含義是什么？Example:MIPS數(shù)不可靠！Assumewebuildanoptimizingcompilerfortheload/storemachine.Thecompilerdiscards50%oftheALUinstructions.1)WhatistheCPI?2)Assuminga20nsclockcycletime(50MHzclockrate).WhatistheMIPSratingforoptimizedcodeversusunoptimizedcode?DoestheMIPSratingagreewiththeratingofexecutiontime?OpFreqCycleALU 43% 1Load 21% 2Store 12% 2Branch 24% 2NewFreq27%27%15%31% OptimizingcompilerCPI1.571.73MIPS31.828.9

結果：因為優(yōu)化后減少了ALU指令（其他指令數(shù)沒變），所以程序執(zhí)行時間一定減少了，但優(yōu)化后的MIPS數(shù)反而降低了。21.5/(21.5+21+12+24)=27%21/(21.5+21+12+24)=27%12/(21.5+21+12+24)=15%24/(21.5+21+12+24)=31%50M/1.57=31.8MIPS50M/1.73=28.9MIPS僅僅在軟件上進行優(yōu)化，沒有涉及到任何硬件措施。選擇性能評價程序（Benchmarks）用基準程序來評測計算機的性能基準測試程序是專門用來進行性能評價的一組程序不同用戶使用的計算機用不同的基準程序基準程序通過運行實際負載來反映計算機的性能最好的基準程序是用戶實際使用的程序或典型的簡單程序基準程序的缺陷現(xiàn)象：基準程序的性能與某段短代碼密切相關時，會被利用以得到不當?shù)男阅茉u測結果手段：硬件系統(tǒng)設計人員或編譯器開發(fā)者針對這些代碼片段進行特殊的優(yōu)化，使得執(zhí)行這段代碼的速度非常快例1：IntelPentium處理器運行SPECint時用了公司內(nèi)部使用的特殊編譯器，使其性能極高例2：矩陣乘法程序SPECmatrix300有99%的時間運行在一行語句上，有些廠商用特殊編譯器優(yōu)化該語句，使性能達VAX11/780的729.8倍！SuccessfulBenchmark:SPEC

1988年，5家公司（Sun,MIPS,HP,Apollo,DEC）聯(lián)合提出了SPEC

(SystemsPerformanceEvaluationCommittee)SPEC給出了一組標準的測試程序、標準輸入和測試報告。它們是一些實際的程序，包括OScalls、I/O等。版本89：10programs=4forinteger+6forFP,用每個程序的執(zhí)行時間求出一個綜合性能指標版本92：SPECInt92(6integerprograms)andSPECfp92(14floatingpointprograms)整數(shù)和浮點數(shù)單獨提供衡量指標：SPECInt92和SPECfp92增加SPECbase:禁止使用任何與程序有關的編譯優(yōu)化開關版本95：8int+10fp較新版本：includeSPECHPC96,SPECJVM98,SPECWEB99,SPECOMP2001.SPECCPU2000，Seehttp://

“benchmarksusefulfor3years”BasemachineischangedfromVAX-11/780toSunSPARC10/40如何給出綜合評價結果?Program1:1seconmachineA,10