計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

I計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

黃彩霞

長沙大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系

2010年

2

第一章

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

Basicconceptsofcomputerarchitecture

3

內(nèi)要

*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念；

定量分析技術(shù)基礎(chǔ)；

。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展；

。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展。

時(shí)間

5

1、提高處理機(jī)運(yùn)算速度：MIPS=FzxIPC

其中:Fz為處理機(jī)的工作主頻

IPC(InstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

提高IPC：

過去，幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令

現(xiàn)在，一周期完成幾條指令（如超標(biāo)量技術(shù),多條流水線）

提高Fz:縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步

如P4的20級(jí)流水線（如超流水技術(shù)）

依靠先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)??！

6

2.計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段

A20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能每年提

高25%?30%。

A20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性

能每年提高35%

A20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級(jí)語言和操作系統(tǒng)等,

性能每年提高50%J

>1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)

進(jìn)步的5倍。(

3.近幾年及將來，計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新。

7

摩爾定律

由英特爾的共同創(chuàng)辦人GordonMoore在

1965年提出：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片的晶

體管的數(shù)量每18個(gè)月會(huì)翻一番，半導(dǎo)體的性

能與容量將以指數(shù)級(jí)增長，并且這種增長趨

勢將會(huì)持續(xù)延續(xù)下去。

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展.處理器8

三

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10000000〈Alpha21264:15million

:二:Moore定彳聿二:二二二:PentiumPro:5.5million

Pentium…,PowerPC620:6.9million

凝1000000■i8Q4版..

蒯Alpha21164:9.3million

后SparcUltra:5.2million

....................?*..........180：-

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CMOS技術(shù)提高情況：

18086-?基片大小：每3年提高2倍；

一???*??..?..?..?..?..*..?._?.,?..?.-?--?.

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10000.?-..flM?--?..?--?.?--?--?..?..?..?..?..?..?..?..?..?...?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?..?.

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j-OAO..???-.........................................?線寬：每7年降低一半。

-?--?*-?-■-?，，一??，??-、?.I.VA<.?A

-14OO4'*'-*-*-*-?*--?*...*...—...*-*―邏輯電路。單芯片上的晶體

1000T管數(shù)量以每年60%-80%的速

時(shí)間率增長。

年代

但：近些年（2002年至今）

計(jì)算機(jī)性能的年增長率下降了

原因：

功耗問題；

。2、可進(jìn)一步有效開發(fā)的指令級(jí)并行已經(jīng)很少;

?:「、存儲(chǔ)器訪問速度的提高變緩。

10

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念

“軟硬件功能等效和分配問題”

這里從計(jì)算機(jī)語言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功

能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，以對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行描述、

分析、設(shè)計(jì)和使用。

“計(jì)算機(jī)語言可以說是一種虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念11

計(jì)算機(jī)語言由低級(jí)向高

級(jí)發(fā)展，高一級(jí)語言的

語句相對(duì)于低級(jí)語言功

能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，

但又都以低級(jí)語言為基

礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念-

微程序機(jī)器級(jí)的機(jī)器語

言是微指令集，程序員

用微指令編寫的微程序

一般是直接由硬件解釋

實(shí)現(xiàn)的。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念13

傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的機(jī)器語

言是該機(jī)的指令集，

程序員用機(jī)器指令集

編寫的程序可以由微

程序進(jìn)行解釋（仿真）。

可以沒有微程序機(jī)器

級(jí)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念14

?:?操作系統(tǒng)虛擬機(jī)：

9直接管理傳統(tǒng)機(jī)器中

的軟硬件資源；

《是傳統(tǒng)機(jī)器的引伸。

提供了傳統(tǒng)機(jī)器所沒

有的某些基本操作和

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（文件系統(tǒng)、

虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)、多道

程序系統(tǒng)和多線程管

理等）。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念15

。匯編語言虛擬機(jī)的

機(jī)器語言是匯編語

言。

?用匯編語言編寫的

程序，首先翻譯或

解釋成第3級(jí)和第2

級(jí)語言，然后再由

相應(yīng)的機(jī)器執(zhí)行。

完成匯編語言翻譯

的程序就叫做匯編

程序。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念16

。高級(jí)語言虛擬機(jī)的

機(jī)器語言就是各種

高級(jí)語言。

?用這些語言所編寫

的程序一般是由稱

為編譯程序的翻譯

程序翻譯到第4級(jí)

或第3級(jí)上，個(gè)別的

高級(jí)語言也用解釋

的方法實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念17

應(yīng)用語言虛擬機(jī)是

為使計(jì)算機(jī)滿足某

種專用用途而專門

設(shè)計(jì)的（人工智能、

教育、行政管理、

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)）。

應(yīng)用語言編寫的程

序一般是由應(yīng)用程

序包翻譯到第5級(jí)上。

翻譯(Translation)18

翻逢技術(shù)是先把N+1級(jí)程序全部變換成N級(jí)程序后,

再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級(jí)程序，在執(zhí)行過程中N+1級(jí)

程序不再被訪問。

解釋(Interpretation)19

解釋技術(shù)是每當(dāng)一條N+1級(jí)指令被譯碼后，就直接

去執(zhí)行一串等效的N級(jí)指令，然后再去取下一條

N+1級(jí)的指令，依此重復(fù)進(jìn)行。

20

翻譯和解釋

解野抗行比翻鋅是的時(shí)間多,

但得儲(chǔ)寵間占用簌夕。

21

用戶

高級(jí)語言程序員

匯編語言程序員

w系統(tǒng)操作員

22

機(jī)器語言程序員

邏輯設(shè)計(jì)員

硬件設(shè)計(jì)員

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念23

虛擬機(jī)器(virtual

machine):由軟件

實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。

實(shí)際機(jī)器(actual

machine)由硬件或

固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的定義24

-------1964年C?M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)

時(shí)提出經(jīng)典的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?(ComputerArchitecture)定義。

算型盍拯相盅是程序員所看蟲1的奸獸機(jī)的屬桃，

即槐含桃秸構(gòu)與切怩特會(huì)

傳統(tǒng)機(jī)器語言級(jí)程序員

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)25

?:3、概念性結(jié)構(gòu):?:?總線按功能和規(guī)范可分為三

大類型：

。（1）片級(jí)總線把各種不同芯片

連接在一起構(gòu)成特定功能模

塊（如CPU模塊）的信息傳輸通

路。

?（2）系統(tǒng)總線微機(jī)系統(tǒng)中各插

件（模塊）之間的信息傳輸通路o

例如CPU模塊和存儲(chǔ)器模塊

或I/O接口模塊之間的傳輸通

路。（PCI總線AGP總線）

■（3）外總線微機(jī)系統(tǒng)之間或微

機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（儀器、儀

表、控制裝置等）之間信息傳

輸?shù)耐?，如EIARS-232C、

IEEE-488等。（ISA總線）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)27

*2、傳統(tǒng)機(jī)器語言程序員能看到的功能特性:

《指令系統(tǒng)（包括機(jī)器指令的操作類型和格式、指令間的排序

和控制機(jī)構(gòu)等）；

9數(shù)據(jù)表示（硬件能直接辯認(rèn)和處理的數(shù)據(jù)類型）；

《尋址規(guī)則（包括最小尋址單元、尋址方式及其表示）；

i寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）；

i中斷系統(tǒng)（中斷的類型和中斷響應(yīng)硬件的功能等）；

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)28

?2、傳統(tǒng)機(jī)器語言程序員能看到的功能特性（續(xù)）：

力機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）；

《存儲(chǔ)系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲(chǔ)容量等）；

《信息保護(hù)（保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持）；

《I/O結(jié)構(gòu)（包括I/O聯(lián)結(jié)方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備間

數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態(tài)等）；等等。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)29

硬件

經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中

軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界

面之下的是硬件和固件的功能。界面是“指令集結(jié)構(gòu)”

軟件硬件界面分配30

?軟件和硬件的邏輯等效性

9由軟件實(shí)現(xiàn)的功能在原理上可以由硬/固件實(shí)現(xiàn)。

同樣，由硬件實(shí)現(xiàn)的功能原理上也可以由軟件

的模擬方法來實(shí)現(xiàn)。

軟件和硬件的性能價(jià)格比是不等效的。

?對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件功能分配應(yīng)保證在滿

足應(yīng)用的前提下，充分利用硬件、器件、軟

件技術(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到較高的性能價(jià)格比。

31

透明性(Transparency)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對(duì)這種本來是存在的事物或?qū)?/p>

性，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明

^(transparency)。

通常，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性對(duì)

高層機(jī)器的程序員往往是透明的。

透明性(Transparency)32

不同級(jí)別的程序員所看

到的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不

同屬性。

33

透明性(Transparency)

。例如：CPU類型、型號(hào)、主存儲(chǔ)器容量等

*對(duì)應(yīng)用程序員透明

。對(duì)系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員等不透明

。例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令

?對(duì)高級(jí)語言程序員、應(yīng)用程序員透明

。對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員不透明

。例如：微程序

。對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明

。對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員不透明

34

廣義的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念

廣義（現(xiàn)代）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念,它除了包

括經(jīng)典的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念范疇（軟硬件界

面），還包括計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。

35

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/組成/實(shí)現(xiàn)

神,機(jī)俶感弟眼不:物理機(jī)器恐向各事件

的狒本方式與控喇方式、各部件的功怩也及

各部件之間的寐系。

神/機(jī)實(shí)現(xiàn)毫眼手.,器件載木和版?zhèn)m裝

秋木，其中器件枝木點(diǎn)實(shí)現(xiàn)林木中赳：

導(dǎo)作用。

36

例1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容包括（）

①芯片的設(shè)計(jì)與選擇②加法器的設(shè)計(jì)

指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)④電源的設(shè)計(jì)

例2計(jì)算機(jī)的外特性不包括（）

①數(shù)據(jù)表示②尋址方式

③寄存器定義磁機(jī)箱的設(shè)計(jì)

例3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范圍不包括（）

①軟硬件界面的定義⑥乘法器的結(jié)構(gòu)

③指令系統(tǒng)的定義④計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)

37

例4硬件和軟件實(shí)現(xiàn)在邏輯上相同，但硬件的優(yōu)勢在于（）

品速度快②成本低

③容量大④靈活性好

例5以下正確的是（）

①機(jī)箱是計(jì)算機(jī)的外特性，屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范圍

②集成電路的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范圍

③加法器的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究內(nèi)容」.

也計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范圍

38

例6:什么叫透明性？

解答：

在4算機(jī)技術(shù)中，一種本來是存在的事物或?qū)傩?，但從某種

角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。通常，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)中，低層機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語言程序

員來說是透明的。

例7:從機(jī)器（匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？指

令地址寄存器；指令緩沖器；時(shí)標(biāo)發(fā)生器；條件碼寄存器；乘

法器；主存地址寄存器；磁盤外設(shè)；先行進(jìn)位鏈；移位器；通

用寄存器；中斷字寄存器。

解答：不透明的：指令地址寄存器；條件碼寄存器；磁盤外設(shè);

通用寄存器；中斷字寄存器。

透明的：指令緩沖器；時(shí)標(biāo)發(fā)生器；乘法器；主存地址寄存

器；先行進(jìn)位鏈；移位器。

39

L2.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類

常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類法有兩種：

Flynn分類法、馮氏分類法

40

f馮氏分類法

《用系統(tǒng)的最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。

《最大并行度：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理

的最大的二進(jìn)制位數(shù)。

用平面直角坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)，其橫坐標(biāo)表示字寬（〃位），縱坐標(biāo)表示一次能

同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)（"字）。/X77表示了其最大并行度。

41

IFlynn分類法

《按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。

《指令流：計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令序列。

《數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。

9多倍性：在系統(tǒng)受限的部件上，同時(shí)處于同一執(zhí)

行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。

?Flynn分類法把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類：

單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）

單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）

多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）

*多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）

SM42

IS

(a)SISD計(jì)算機(jī)（b）SIMD計(jì)算機(jī)

SM

(c)MISD計(jì)算機(jī)(d)MIMD計(jì)算機(jī)

1.3定量分析技術(shù)4

。1、大概率事件優(yōu)先的原則：對(duì)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。

?:?要能夠確定什么是大概率事件，同時(shí)要說明

針對(duì)該事件進(jìn)行的改進(jìn)將如何提高機(jī)器的性

能。

44

。2、Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲

得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)

中所占的重要性。

。Amdahl定律既可以用來確定系統(tǒng)中對(duì)性能

限制最大的部件，也可以用來計(jì)算通過改進(jìn)

某些部件所獲得的系統(tǒng)性能的提高。

Amdahl定得45

?:?加速比:

系統(tǒng)性能總執(zhí)行時(shí)間

改進(jìn)后改進(jìn)前

系統(tǒng)加速比

一系統(tǒng)性能總執(zhí)行時(shí)間

改進(jìn)前改進(jìn)后

Amdahl定律

系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素：

?！翱筛倪M(jìn)比例fe”：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算

時(shí)間中所占的比例，它總是小于等于1的。

?！安考铀俦萐e”可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能

提高，一般情況下它是大于1的。

47

Amdahl定律:性能遞減現(xiàn)則

?：?如果僅僅對(duì)計(jì)算機(jī)

中的一部分做性能

改進(jìn)，則改進(jìn)越多,

系統(tǒng)獲得的效果越

小。

?:?推論：如果只針對(duì)

整個(gè)任務(wù)的一部分

進(jìn)行優(yōu)化，那么所

獲得的加速比不大

于"（1-fe）O可改進(jìn)比

率越小，獲得的加速比也越小。

Amdahl定得49

?:?一個(gè)“好”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：具有高性能價(jià)格

比的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)帶寬平衡的系統(tǒng)，而

不是看它使用的某些部件的性能。

Amdahl定律練習(xí)50

例：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，浮點(diǎn)操作時(shí)

間占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的10%,現(xiàn)希望對(duì)浮點(diǎn)操

作加速。I

i設(shè)對(duì)浮點(diǎn)操作的加速比為號(hào)。請(qǐng)問程序的最大加

速比可達(dá)多少？

Amdahl定律練習(xí)51

1

s=-----------------------

(1-4)+—

Sf

1

—10%

(1-10%)+----

Sf

1

-0.1

=10/90.9+一

S

3、CPU的性能52

?將程序執(zhí)行的時(shí)間進(jìn)行分解。

小將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與實(shí)現(xiàn)技術(shù)和工藝有關(guān)的因素提取出來。

這個(gè)因素就是計(jì)算機(jī)工作的時(shí)鐘頻率，單位是Hz（力；

力可以測量執(zhí)行程序使用的總時(shí)鐘周期數(shù)（CLK）。'

。通過這兩個(gè)參數(shù)我們就可知道程序執(zhí)行的CPU時(shí)間：

TCPV=CLK/f

。在電子技術(shù)中，脈沖信號(hào)是一個(gè)按一定電壓幅度，

一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號(hào)。我們將第一個(gè)

脈沖和第二個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔稱為周期；而將

在單位時(shí)間（如1秒）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)稱為頻率

53

指令執(zhí)行速度

?：?例:計(jì)算PentiumlV2GHz處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。已

知其CPI=0.25.)

54

指令執(zhí)行速度

?：?例:計(jì)算PentiumlV2GHz處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。已

知其CPI=0.25.

解：由于PentiumlV2GHz處理機(jī)的CPI=0.25,故

其IPC=4;又Fz=2000MHz

因此，MIPSPentiumIV2G=FzxIPC=2000x4

=8000MIPS=8GIPS

即每秒鐘80億次（平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令）

55

。程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)，記為/G

?指令時(shí)鐘周期數(shù)CPT(CyclesPerInstruction)：

每條指令執(zhí)行所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)。

CPI=CLK/IC

CPI(CyclesPerInstruction)為

每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)

IPC(lnstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

CPU的性能：CPU性能公式56

CPI=CLK/IC

1------kCPIxIC=CLK

尸時(shí)

TCPU=CLK1f-

周

k

--------TCPU=CPIxIC/f-y期

時(shí)

TS間

TCPU=CPIXUTSK

CPU性能公式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)57

。指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)(CP/)：反映了計(jì)

算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和計(jì)算

機(jī)組織。

。程序的指令數(shù)(IC):反映了計(jì)算機(jī)指令集

的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。

。時(shí)鐘頻率(f):反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、

生產(chǎn)工藝和計(jì)算機(jī)組織。

深入CPU性能公式5

假設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有"種指令，其中第諭指令

的處理時(shí)間為CP/”在程序中第i種指令出現(xiàn)的

次數(shù)為/G。

Tcpu^CLKIf!

CLK=Z(ICjxCPI.)

TCPU=CP1

=￡（IJXCPL）X?'cLK

深入CPU性能公式59

CPI=CLK/IC

CLK=工(IC[XCPI.)

CPI=￡(ICjxCPIJIIC

=ZMIC,/IC)xCPIj

ICI.IIC:

反映了第i種指令在程序中所占的比例。

60

例：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開平方操作FPSQR所占

I的比例為2%,它的CPI為100；其他浮點(diǎn)操作

FP所占的比例為23%,它的CPI=4.0；其余

75%指令的CPI=L33,計(jì)算該處理機(jī)的等效

CPIo如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計(jì)算

等效CPI。

61

例：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開平方操作FPSQR所占

I的比例為2%,它的CPI為100；其他浮點(diǎn)操作

FP所占的比例為23%,它的CPI=4.0；其余

75%指令的CPI=L33,計(jì)算該處理機(jī)的等效

CPIo如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計(jì)算

等效CPI。

解：等效CPIi=100x2%+4x23%+L33x75%=3.92

等效CPI?=4x25%+L33x75%=2.00

改進(jìn)了在用戶程序中僅占2%的開平方操作，整

個(gè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。

CPU性能公式練習(xí)62

例：假設(shè)我們考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法

如下：

?CPUA：通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條

件碼進(jìn)行分支。

?CPUB：在分支指令中包括比較過程。

CPUACPUBi

比較指令‘二＞支指令［

測試分支

CPU性能公式練習(xí)63

?：?哪一個(gè)CPU更快?

1T-CPTxTCx1T

CPUAdCPU4CPU4CLK

1TCPUR-C^PrTiCPURxTCCPURx1TCLK

￡>￡>￡>

CP“CPUB

康?旨令

分支指令

測試分支

CPU性能公式練習(xí)64

在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期

而所有其它指令占用個(gè)時(shí)鐘周期

1oCP/分支=2

CP“CP"

CP/其它=1

其它指令其它指令60%4-80%=75%

60%

20%比較指令分支指令20%+80%=25%

20%測試分支

CPU性能公式練習(xí)65

對(duì)于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%;由于每

個(gè)分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也

占20%。

CPUACPUB八T

CPI分支=2

CPI^=1

縣匕

其它指令■其它指令

60%TC

其它3

=(1—40%)/。/

20%分支指令

IC分支IC分支B

20%測試分支A

CPU性能公式練習(xí)66

由于CPUA在分支時(shí)不需要比較，因此假設(shè)它的時(shí)

^鐘11周期時(shí)間比CPUB快L25倍（指令多，但指令執(zhí)行時(shí)間短）

B、、

CP“CPUCPI分支=2

一

CPI昊&匕=1

其它指令其它指令“TJC其它8

=(1—40%)/Cj

睜指令分支指令I(lǐng)Ci=IC…

分支N分支6

測試分支

1CLK^—「乙"CLK*

CPU性能公式練習(xí)67

T

rpiJ=V/(rZvCixC7Vi7)xTCLK

CPUACPUBCPI分支=2

CP【其它二1

其它指令■其它指令I(lǐng)C

其它B

=(1-40%)ICA

分支指令

IC八古=IC

分支A分支B

測試分支

T_1T

1CLKB~L，ZJ'OXA

CPU性能公式練習(xí)68

T=V{ICXCPI.)XTCJK

CPIUJAN」'i「4CLKA

=(2x20%+1x80%)/CxTGK

/LCZTLZY4

=1.2X/CAXT

T=、(ICxCPI.)xT。,一時(shí)鐘周期時(shí)間1

CPUBN」、i「BCLKB

=(2x20%+1x60%)/Cx1.25x

[25%*2+75%*1]*ICB

=1.25x/Cj"

CPUA快，即使其執(zhí)行的指令數(shù)較CPUB多。

CPU性能公式練習(xí)69

*如果CPUA的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPUB快11倍,

哪一個(gè)CPU更快呢?

CP“CP%%

=1.2XICAXTCLK

=CCJTC氏

測試分支

計(jì)算機(jī)性能的評(píng)測71

利用時(shí)間概念評(píng)測一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能和測試

者所處的角度有關(guān)。

一執(zhí)行時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間）:從事件開始到結(jié)束之

間的時(shí)間。

小吞吐率（Throughput）:在單位時(shí)間內(nèi)所能完成

的工作量（任務(wù)）。

?:?用戶以響應(yīng)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，多道程序系統(tǒng)以吞

吐率為標(biāo)準(zhǔn)。

“快”（Fast）的