第1章計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

第1章計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)性能分析第3章通道處理機(jī)第4章流水技術(shù)和向量處理第5章陣列計算機(jī)第6章多處理機(jī)系統(tǒng)第7章其它計算機(jī)結(jié)構(gòu)11/7/20241第1章計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)1.1計算機(jī)系統(tǒng)的基本概念1.2計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)1.3計算機(jī)系統(tǒng)的性能評價1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展11/7/20242本章學(xué)習(xí)要求了解計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)的定義及屬性，會透明性分析掌握計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計原理、性能計算掌握計算機(jī)系統(tǒng)的分類，特別是Flynn分類了解軟件對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響11/7/20243什么是計算機(jī)？計算機(jī)是一種不需要人的直觀干預(yù)而能自動完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算的工具隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，計算機(jī)已由單一的數(shù)值計算，擴(kuò)展到信息處理、知識推理等非計算領(lǐng)域說明：隨著技術(shù)的發(fā)展，概念有所變化計算機(jī)是工具11/7/20244計算機(jī)的功能科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理（信息處理）過程控制人工智能……11/7/202451.1計算機(jī)系統(tǒng)的基本概念機(jī)器：能存儲和執(zhí)行相應(yīng)語言程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行體計算機(jī)語言：是用以描述控制流程的、有一定規(guī)則的字符集合語言不是專屬軟件范疇，可以介屬于計算機(jī)系統(tǒng)的各個層次，具有不同作用11/7/20246

從使用語言的角度上，將計算機(jī)系統(tǒng)看成按功能劃分的多級層次結(jié)構(gòu)機(jī)器、匯編、高級、應(yīng)用語言

低級高級后者比前者功能更強(qiáng)、使用更方便；而前者是后者發(fā)展的基礎(chǔ)，在單條指令的執(zhí)行速度相比較，前者更快。1.1.1計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)11/7/20247計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)圖微程序/硬聯(lián)直接由硬件執(zhí)行解釋部分解釋（操作系統(tǒng)）翻譯（匯編程序）翻譯（編譯程序）翻譯（應(yīng)用程序包）應(yīng)用語言級L5虛擬機(jī)高級語言機(jī)器L4虛擬機(jī)匯編語言機(jī)器L3虛擬機(jī)應(yīng)用軟件固件系統(tǒng)軟件傳統(tǒng)機(jī)器級操作系統(tǒng)機(jī)器軟硬件交界面L2虛擬機(jī)物理機(jī)器硬件軟件11/7/20248多級層次結(jié)構(gòu)（機(jī)器—語言）M5:應(yīng)用語言機(jī)器------應(yīng)用語言（L5）M4:高級語言機(jī)器------高級語言（L4）M3:匯編語言機(jī)器------匯編語言（L3）M2:操作系統(tǒng)機(jī)器------作業(yè)控制語言（L2）M1:傳統(tǒng)機(jī)器------------機(jī)器語言（L1）M0:微程序機(jī)器---------微程序語言（L0）11/7/20249從設(shè)計人員看到的層次應(yīng)用程序級用戶高級語言級高級語言程序員匯編語言級匯編語言程序員操作系統(tǒng)級操作員機(jī)器語言級機(jī)器語言程序員微程序控制級邏輯程序員硬聯(lián)邏輯級硬件設(shè)計員11/7/202410翻譯(Translation)：先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患墮C(jī)器級上的程序整個地變換成低一級機(jī)器級上可運(yùn)行的等效程序（中間程序），然后再在低一級機(jī)器級上去實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。例：英語翻譯計算機(jī)系統(tǒng)中的翻譯功能常由應(yīng)用程序包、編譯程序、匯編程序等軟件完成。11/7/202411解釋（Interpretation）：在低一級機(jī)器級上用它的一串語句或指令來仿真高一級機(jī)器上的一條語句或指令的功能，通過對高一級機(jī)器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實(shí)現(xiàn)的技術(shù)解釋過程中不生成中間程序（節(jié)省了存儲空間）或者：一條N+1級指令--〉一串N級指令例：解釋一件事11/7/202412翻譯和解釋是語言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)。解釋比翻譯費(fèi)時，但節(jié)省存儲空間翻譯為整體行為，可以優(yōu)化，效率高，與平臺有關(guān)解釋為局部行為，不優(yōu)化，效率低，與平臺無關(guān)翻譯+解釋：Java11/7/202413控制流程的三種實(shí)現(xiàn)方法全硬件、軟硬件結(jié)合、全軟件邏輯上等價，物理意義上不等價硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多發(fā)展趨勢硬件實(shí)現(xiàn)的比例越來越高硬件所占的成本越來越低11/7/202414計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件成本變化成本年代軟件硬件70年代11/7/202415從概念和功能上將計算機(jī)系統(tǒng)看成多級層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：1.理解軟件、硬件、固件的地位和作用

2.理解各種語言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑

3.探索虛擬機(jī)新的實(shí)現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設(shè)計由硬件固件實(shí)現(xiàn)——高級語言機(jī)器多處理機(jī)系統(tǒng)——由真正微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)

4.理解計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義

5.在一臺真正的宿主機(jī)上通過模擬或仿真另一臺不同的假想機(jī)器——自虛擬技術(shù)

11/7/2024161.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)定義與理解三者的相互關(guān)系11/7/202417計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

SystemArchitecture是對計算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級之間界面的劃分和定義，以及對各級界面上、下的功能進(jìn)行分配1964年，IBM/360系列機(jī)的總設(shè)計工程師G.M.Amdahl、G.A.Blauw、F.P.Brooks等人提出。也稱體系結(jié)構(gòu)。是從程序員的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，是概念上的結(jié)構(gòu)和功能上的行為它不同于數(shù)據(jù)流程和控制的組織，不同于邏輯設(shè)計以及物理實(shí)現(xiàn)方法11/7/202418定義的理解從兩個角度理解一是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然是“從程序員的角度所看到的系統(tǒng)的屬性”，那么每一級“機(jī)器”都有一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且它們相互不同二是將計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義在傳統(tǒng)機(jī)器界面（M1）程序員所看到的計算機(jī)的基本屬性11/7/202419計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本屬性一般應(yīng)包括以下幾個方面指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、操作數(shù)的尋址方式寄存器的構(gòu)成定義、中斷機(jī)構(gòu)和例外條件存儲體系和管理、I/O結(jié)構(gòu)機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護(hù)在所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關(guān)鍵的11/7/202420計算機(jī)組成

ComputerOrganization研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性，目標(biāo)是用最合理地方式將各種設(shè)備和部件連接為計算機(jī)，以達(dá)到最優(yōu)的性價比，從而實(shí)現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)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。11/7/202421計算機(jī)組成的基本屬性數(shù)據(jù)通路寬度各種操作功能部件的共享程度專用部件的設(shè)置功能部件的并行性緩沖和排隊技術(shù)控制機(jī)構(gòu)的組成方式預(yù)測技術(shù)可靠性技術(shù)11/7/202422計算機(jī)實(shí)現(xiàn)

ComputerImplementation研究各部件的物理結(jié)構(gòu)、機(jī)器的制造技術(shù)和工藝等，它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)主存的物理實(shí)現(xiàn)，如存儲器采用什么樣器件，邏輯電路設(shè)計和微組裝技術(shù)均屬計算機(jī)實(shí)現(xiàn)它是計算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)11/7/202423定義理解舉例主存系統(tǒng)主存容量與編址方式的確定-----------系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主存速度的確定、邏輯結(jié)構(gòu)的模式---組成器件的選定、電路的設(shè)計、組裝技術(shù)---實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的確定--------系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令的實(shí)現(xiàn)--------------組成具體電路、器件設(shè)計及裝配技術(shù)---實(shí)現(xiàn)11/7/202424系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)相互關(guān)系*具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)可以采用不同的組成，一種計算機(jī)組成可以采用多種不同的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)（系列機(jī)與兼容機(jī)）*采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會使可以采用的組成技術(shù)產(chǎn)生差異，計算機(jī)組成也會影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11/7/202425是否設(shè)置乘方/開方指令邏輯設(shè)計1（硬聯(lián)電路）實(shí)現(xiàn)方案1(V1,$1,T1)邏輯設(shè)計3微程序邏輯設(shè)計2（ROM查表）實(shí)現(xiàn)方案2(V2,$2,T2)實(shí)現(xiàn)方案3(V3,$3,T3)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)可以采用不同的組成相同計算機(jī)組成可以采用多種不同的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機(jī)組成計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是否11/7/202426舉例：不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對軟件的影響A:=B+CD:=E*F面向三地址尋址：ADDB,C,AMPYE,F,D面向寄存器：LOADR1,BADDR1,CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D11/7/202427透明性Transparency本來存在的事物或?qū)傩?，從某個角度去看卻看不到。在一個計算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性往往對高層機(jī)器的程序員是透明的。計算機(jī)組成設(shè)計的內(nèi)容，對傳統(tǒng)機(jī)器程序員來講一般是透明的。11/7/202428舉例1在多級層次結(jié)構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機(jī)器級的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對高級語言的程序員來說是透明的，而對匯編語言的程序員來說不是透明的。這說明高級語言的程序員不必知道機(jī)器的指令系統(tǒng)、中斷機(jī)構(gòu)等，這些本來存在的屬性，對高級語言的程序員來說好像不存在一樣，所以說是透明的。對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，存儲器采用交叉存取還是并行存取、CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路的寬度是8位還是16位，這些都是透明的，而對計算機(jī)組成來說這些不是透明的。11/7/202429舉例2指令執(zhí)行采用串行、重疊還是流水控制方式，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是透明的，但對計算機(jī)組成來說不是透明的。乘法指令采用專用乘法器實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是透明的，而對計算機(jī)組成來說不是透明的存儲器采用哪種芯片，對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成來說是透明的，而對計算機(jī)實(shí)現(xiàn)來說不是透明的。11/7/2024301.1.3計算機(jī)系統(tǒng)的分類采用的基本器件分類計算機(jī)系統(tǒng)成本分類1966年MichaelJ.Flynn分類1978年DavidJ.Kuck分類1972年馮澤云分類11/7/202431一按采用的基本器件分類計算機(jī)的更新?lián)Q代第一代：電子管計算機(jī)第二代：晶體管計算機(jī)第三代：中小規(guī)模集成電路第四代：大或超大規(guī)模集成電路第五代：VLSI(甚大規(guī)模集成電路)計算機(jī)性能的大幅度提高和更新?lián)Q代，一方面依靠器件的不斷更新，同時也依賴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。硬件設(shè)計公理：越小越快11/7/202432二按計算機(jī)系統(tǒng)成本分類巨型計算機(jī)、超級計算機(jī)：SuperComputer大型計算機(jī)：MainComputer中型計算機(jī)：MidComputer小型計算機(jī)：MiniComputer微型計算機(jī)：MicroComputer工作站：Workstation介于小型機(jī)和微型機(jī)之間，具有小型機(jī)的性能，微型機(jī)的價格11/7/202433三Flynn（弗林）分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類1.基本概念

指令流(instructionstream)：機(jī)器執(zhí)行的指令序列

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

多倍性(multiplicity)：在系統(tǒng)瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)11/7/202434多指令流多數(shù)據(jù)流

MIMD(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream)（多計算機(jī)系統(tǒng)）2.分類單指令流單數(shù)據(jù)流

SISD(SingleInstructionstreamSingleDatastream)

(傳統(tǒng)計算機(jī)，如IA結(jié)構(gòu)的PC機(jī))單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionstreamMultipleDatastream)

(陣列計算機(jī)，如ILLIACⅣ機(jī))多指令流單數(shù)據(jù)流

MISD(MultipleInstructionstreamSingleDatastream)（較先進(jìn)的流水線處理機(jī)，如VLIW機(jī)）11/7/202435四DavidJ.Kuck分類庫克分類：指令流、執(zhí)行流、多倍性單指令流單執(zhí)行流SISE單指令流多執(zhí)行流SIME多指令流單執(zhí)行流MISE多指令流多執(zhí)行流MIME11/7/202436五1972年馮澤云分類用最大并行度Pm分類最大并行度Pm:在單位時間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)11/7/202437橫坐標(biāo)代表字寬(n位)，即在一個字中同時處理的二進(jìn)制位數(shù)縱坐標(biāo)代表位片寬度(m位)，即在一個位片中能同時處理的字?jǐn)?shù)

字寬n位片寬m。。n=1,m=1,字串位串(WSBS)如串行計算機(jī)。n>1,m=1,字并位串(WPBS)如傳統(tǒng)計算機(jī)。。1163264116326425628816384。。。。。n>1,m>1,字并位并(WPBP)如陣列計算機(jī)。n=1,m>1,字串位并(WSBP)如STARAN等機(jī)。MPPSTARANPDP-11IBM360TI-ASCILLIACPEPECmmp。11/7/2024381.2計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)1.2.1計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計原理---加快經(jīng)常性事件的速度---Amdahl定律---程序訪問的局部性規(guī)律1.2.2計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法---軟硬件舍取的基本原則---計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)---計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的基本方法（三種）11/7/2024391.加快經(jīng)常性事件的速度Makethecommoncasefast例如：CPU中的加法這是計算機(jī)設(shè)計中最重要也最廣泛采用的設(shè)計準(zhǔn)則。使經(jīng)常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統(tǒng)的性能1.2.1計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計原理11/7/2024402.Amdahl定律系統(tǒng)對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。11/7/202441Amdahl定律（理解）CPU硬件系統(tǒng)ALU占系統(tǒng)運(yùn)行時間的30%編譯軟件系統(tǒng)公共子程序30%被加（提）速部件要優(yōu)化改進(jìn)的軟件11/7/202442Amdahl定律表達(dá)式表示被改進(jìn)部分在改進(jìn)前占系統(tǒng)的比例表示被改進(jìn)部分的加速比11/7/202443Amdahl表達(dá)式的解釋改進(jìn)后的執(zhí)行總時間=不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間+不可改進(jìn)部分的比例可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間11/7/202444Amdahl舉例假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原處理時間僅為整個運(yùn)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？解：由題意可知fe=0.4,re=10,根據(jù)Amdahl定律11/7/2024453.程序訪問的局部性規(guī)律程序訪問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的信息項(xiàng)很可能馬上將被再次訪問；空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰近的信息項(xiàng)很可能會被一起訪問這是構(gòu)成存儲體系（存儲層次）的主要規(guī)律

11/7/2024461.軟硬取舍的基本原則原則一：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原則二：不應(yīng)對組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)有過多的限制原則三：對軟件提供更多更好的支持（OS、編譯、高級語言）

1.2.2計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法11/7/2024472.計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)要滿足用戶對功能上的要求以及相應(yīng)的對價格和性能要求

在滿足功能要求基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化

設(shè)計應(yīng)能適應(yīng)日后發(fā)展趨勢

11/7/202448計算機(jī)發(fā)展的基本趨勢

一個芯片上的晶體管數(shù)大約每年增加25％，因此每三年可增加一倍；

器件的開關(guān)速度增長基本類似DRAM的密度每年增長約60％，因此每三年將增長三倍；

訪問存儲器周期改進(jìn)相應(yīng)較慢，每十年約減少1／3；硬盤密度每年增加25％，每三年增加一倍，訪問時間則每十年減少1／3。11/7/202449計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的主要方法方法一：“由上往下”設(shè)計：

先考慮如何滿足應(yīng)用要求，確定好面對使用者那級機(jī)器應(yīng)有什么基本功能和特性，如基本命令、指令或語言結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型和格式等，然后再逐級往下設(shè)計，每級都考慮怎樣優(yōu)化上一級實(shí)現(xiàn)。方法特征：它適合于專用機(jī)設(shè)計，不適合于通用機(jī)設(shè)計。

11/7/202450方法二：由下往上設(shè)計

不管應(yīng)用要求，只根據(jù)能拿到的器件參照或吸收已有各種機(jī)器的特點(diǎn)，先設(shè)計出微程序機(jī)器級(如果采用微程序控制)及傳統(tǒng)機(jī)器級，然后再為不同應(yīng)用配多種操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)軟件。方法特征：設(shè)計周期長。當(dāng)一種結(jié)構(gòu)的機(jī)器完成以后，硬件技術(shù)又已發(fā)展了一大步。20世紀(jì)60—70年代前常用此方法。11/7/202451方法三：由中間開始設(shè)計

先進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配，既要考慮能拿到的硬、器件，又要考慮可能的應(yīng)用所需的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先定義好這個交界面。確定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)，同時還要考慮好硬件對操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供些什么支持。然后由這個中間點(diǎn)分別往上、往下進(jìn)行軟件和硬件的設(shè)計。“中間”指傳統(tǒng)機(jī)器級界面。方法特征：設(shè)計周期短，軟硬件結(jié)合。

11/7/2024521.3計算機(jī)系統(tǒng)的性能評價CPU性能公式（CPU工作時間）MIPS和MFLOPS

基準(zhǔn)測試程序

性能評價結(jié)果的統(tǒng)計和比較

11/7/2024531.3.1CPU性能公式一個程序在CPU上運(yùn)行所需的時間：其中，11/7/2024541.3.2MIPS和MFLOPSMIPS每秒（可執(zhí)行）百萬條指令MFLOPS每秒（可執(zhí)行）百萬條浮點(diǎn)指令11/7/202455舉例

例1用一臺4OMHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時鐘周期數(shù)如下：指令類型指令條數(shù)時鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算

150002控制轉(zhuǎn)移

80002求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。11/7/202456解：依題意可知IN=105條，n=4，11/7/202457例2某工作站采用時鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來執(zhí)行一個巳知混合程序。假定每次存儲器存取為1周期延遲、試問：(1)

此計算機(jī)的有效CPI是多少?

(2)假定將處理機(jī)的時鐘提高到30MHz，但存儲器子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲器存取需要兩個時鐘周期。如果30％指令每條只需要一次存儲存取，而另外5％每條需要兩次存儲存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能。解(1)11/7/202458(2)依題意可知：30%的指令需要一次存儲存取，則這些指令在處理器提高時鐘頻率之后需要增加1個時鐘周期；另外5%的指令需要增加2個時鐘周期。

改進(jìn)后性能提高情況可用CPU時間之比表示：

11/7/2024591.3.3基準(zhǔn)測試程序用于評價計算機(jī)系統(tǒng)性能的基準(zhǔn)測試程序(Benchmark)。采用實(shí)際應(yīng)用程序。如c語言的各種編譯程序及CAD工具軟件等；從實(shí)際程序中抽取少量關(guān)鍵循環(huán)程序段來組成核心程序，以此來評估性能；合成測試程序。它類似于核心程序方法，但這種合成測試程序是人為編制的。較流行的合成測試程序有Whetstone和Dhrystone兩種.

11/7/202460SPEC測試程序在1988年，美國HP、DEC、MIPS以及SUN公司，發(fā)起成立了SPEC(StandardPerformanceEvaluationCorporation)(標(biāo)準(zhǔn)性能評估協(xié)會)SPEC是一非盈利社團(tuán)，致力于“建立、維護(hù)和認(rèn)可一個基準(zhǔn)測試程序標(biāo)準(zhǔn)化集，以用于最新一代高性能計算機(jī)的性能衡量?！盨PEC89、92、95和2000共四個版本11/7/202461

SPEC89由10個工程/科學(xué)測試程序（GCC，Espresso，Splce2g6，DODUC，NASA7，Li，Eqntott，Matrix300，F(xiàn)PPPP，TOMCATV）組成。

其中4個用C語言編寫(GCC，Espresso，Li和Eqntott)用于整數(shù)運(yùn)算，6個用FORTRAN語言編寫，用于浮點(diǎn)運(yùn)算。計算所得SPECmark的分值越大越好，它是相對于VAX—11／780的性能，lSPEC分值約相當(dāng)于0.2～0.3MFLOPS。SPEC89后來演化出兩個測試程序集：SPECmark測量10個程序的執(zhí)行速率，SPECthruput考察系統(tǒng)的吞吐率。11/7/202462SPEC92由20個測試程序組成，包括CINT92(6)和CFP92(14)參照機(jī)：VAX11/780程序描述/領(lǐng)域CompressEspresoGccEqntottScxlisp自適應(yīng)壓縮函數(shù)最小化GNUC編譯器邏輯設(shè)計電子表格Lisp解釋器程序描述/領(lǐng)域AlvinnDoduceEarFppppHydro2dMdljdp2Mdljsp2Masa7OraSpiceSu2corSwm256TomcatWave5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/機(jī)器人核反應(yīng)堆模擬/物理學(xué)耳朵模擬/醫(yī)學(xué)電子積分/化學(xué)噴氣計算/天體物理運(yùn)動方程/化學(xué)（雙）運(yùn)動方程/化學(xué)（單）浮點(diǎn)內(nèi)核光線跟蹤/光學(xué)電路模擬/電路設(shè)計粒子質(zhì)量/量子物理水方程求解/模擬網(wǎng)格生成程序麥克斯韋方程求解11/7/202463SPEC95由18個測試程序組成，包括CINT95(8)和CFP95(10)參照機(jī)：SUNSPARC10/40SPEC2000由26個測試程序組成，包括CINT2000(12)和CFP2000(14)參照機(jī)：SUNUltra5_10300MHzAlphaStation500/500(System#1)PersonalWorkstation500au(System#2)AlphaServer41005/533(System#3)11/7/202464SPECint2000整數(shù)基準(zhǔn)測試程序集基準(zhǔn)測試程序語言駐留大小虛擬大小描述164.gzipc181(MB)200(MB)壓縮175.vprc5055.2FPGA應(yīng)用176.gccc155158C編譯器181.mcfc190192組合優(yōu)化186.craftyc2.14.2下棋游戲197.parserc3762.5字處理252.eonC++0.73.3計算機(jī)可視化253.perlbmkc146159Perl編程254.gapc193196解釋器(群論)255.vortexc7281Oob數(shù)據(jù)庫256.bzip2c185200壓縮300.twolfc1.94.1路由模擬器11/7/202465SPECfp2000浮點(diǎn)基準(zhǔn)測試程序集基準(zhǔn)測試程序語言駐留大小虛擬大小描述168.wupwiseF77176(MB)177(MB)量子染色動力學(xué)171.swinF77191192淺水建模172.mgridF775656.7三維勢能場173.appluF77181191偏微分方程177.mesac9.524.7三維圖形庫178.galgelF9063155計算流體力學(xué)179.artc3.75.9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用183.equakec4951.1地震波傳輸模擬187.facerecF901618.5圖象處理：臉部識別188.ammpc2630計算化學(xué)189.lucasF90142143數(shù)論191.fma3dF90103105有限元模擬200.sixtrackF772659.8核物理應(yīng)用301.apsiF77191192氣象學(xué)：污染物質(zhì)分布11/7/202466HPC的性能測試LinpackLinpack包括：Linpack100、1000和HPLLinpack是用高斯消元法要求解一元N次稠密線性方程。只能采用編譯優(yōu)化選項(xiàng)，不能更改程序代碼，甚至是代碼中的注釋必須安裝支持C和Fortran77的編譯器、并行編程環(huán)境MPICH11/7/202467Pentium與80486性能比較

Pentium/6680486DX2/66推出日期：1993年3月1992年8月制造工藝：0.8umCMOS0.8umCMOS整數(shù)/浮點(diǎn)部件：2/1個2/1個片內(nèi)Cache：16K(指/數(shù)分開)8K(指/數(shù)混存)外部數(shù)據(jù)總線：64位32位Dhryston值：100MIPS54MIPSSPECint89值：7033.6SPECfp89值：7018.311/7/2024681.3.4性能評價結(jié)果的統(tǒng)計和比較

1．算術(shù)性能平均值A(chǔ)m2．幾何性能平均值Gm3．調(diào)和性能平均值HmRi表示由n個程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個程序的速率，Ti表示執(zhí)行第i個程序所需的時間

11/7/202469程序機(jī)器A執(zhí)行時間機(jī)器B執(zhí)行時間機(jī)器C執(zhí)行時間程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100例3已知四個程序在三臺計算機(jī)上的執(zhí)行時間(s)如下表：

假設(shè)四個程序中每一個都有100000000條指令要執(zhí)行，計算這三臺計算機(jī)中每臺機(jī)器上每個程序的MIPS速率。根據(jù)這些速率值，你能否得出有關(guān)三臺計算機(jī)相對性能的明確結(jié)論？你能否找到一種將它們統(tǒng)計排序的方法?試說明理由。11/7/202470程序機(jī)器A的MIPS機(jī)器B的MIPS機(jī)器C的MIPS程序1100105程序20.115程序30.20.12程序410.1251由上述機(jī)器的MIPS速率，可知每臺機(jī)器對4個程序有不同的處理時間，而且大小順序不同，所以不能得出明確的結(jié)論。解：根據(jù)式可得出每臺機(jī)器每個程序的MIPS速率如下：

11/7/202471平均執(zhí)行時間機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C算術(shù)平均25.32.813.25幾何平均1.190.592.66調(diào)各平均0.250.202.1如果按照算術(shù)平均比較性能，機(jī)器A最快，機(jī)器B最慢；如果按照幾何平均比較性能，機(jī)器C最快，機(jī)器B最慢；如果按照調(diào)各平均比較性能，機(jī)器C最快，機(jī)器B最慢。下面可采用統(tǒng)計的方法比較各機(jī)器的性能：

如機(jī)器A的算術(shù)平均：11/7/2024721.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展傳統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其演變軟件、器件和應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響計算機(jī)的成本和價格11/7/2024731.4.1傳統(tǒng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其演變傳統(tǒng)的馮.諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)輸出設(shè)備輸入設(shè)備控制器運(yùn)算器存儲器11/7/20247411/7/202475ENIAC-技術(shù)細(xì)節(jié)Decimal(notbinary)十進(jìn)制（沒有二進(jìn)制）20accumulatorsof10digits十位數(shù)字的累加器有20個Programmedmanuallybyswitches通過開關(guān)人工編程18,000vacuumtubes18,000個晶體管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW電力消耗5,000additionspersecond每秒可執(zhí)行5000次加法運(yùn)算11/7/202476傳統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)模式的主要缺點(diǎn)有：1.存在有兩個瓶頸：物理瓶頸和智能瓶頸；2.低級的機(jī)器語言和高級的程序設(shè)計語言之間存在著巨大的語義差距；3.復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象無法直接存放到一維線性地址空間的存儲器中，必須經(jīng)過地址映象。

11/7/202477針對傳統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)模式的演變兩個瓶頸：“改良”方法“改革”方法Cache存儲器、并行主存技術(shù)高級流水技術(shù)語義差距：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向高級語言機(jī)器、虛擬存儲技術(shù)以支持高級語言編程自定義數(shù)據(jù)表示、多維存儲空間非傳統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)：并行處理計算機(jī)脈動陣列計算機(jī)數(shù)據(jù)流計算機(jī)歸約計算機(jī)人工智能計算機(jī)11/7/2024781.4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響11/7/202479一、軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響主要是解決軟件的可移植出性（①軟件成本越來越高②軟件產(chǎn)量和可靠性的提高困難③積累了大量成熟的軟件④排錯比編寫困難、軟件生產(chǎn)率低因而出現(xiàn)了“軟件危機(jī)”）實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性有三個主要途徑：1.統(tǒng)一高級語言2.采用系列機(jī)方法3.模擬與仿真11/7/2024802.采用系列機(jī)方法

系列機(jī)：由同一廠商生產(chǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同、組成和實(shí)現(xiàn)不同的不同檔次（速度、容量、成本和可靠性）的機(jī)器。如IBM公司的360、370系列計算機(jī)，DEC公司的PDP-ll系列機(jī)和INTEL公司的80X86系列微型計算機(jī)。1.統(tǒng)一高級語言（應(yīng)用、認(rèn)識和習(xí)慣勢力三個問題）11/7/202481系列機(jī)方法只是解決了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的計算機(jī)之間的軟件移植。系列機(jī)方法也限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

系列機(jī)方法較好地解決了硬件技術(shù)更新發(fā)展快（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求不斷更新）而軟件編寫開發(fā)周期比較長（軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定）之間的矛盾。兼容機(jī)：不同廠商生產(chǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同、組成和實(shí)現(xiàn)不同的不同檔次的機(jī)器。11/7/202482系列機(jī)要求：保證向后兼容力爭做到向上兼容當(dāng)前機(jī)器時間機(jī)器檔次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容11/7/2024833.模擬與仿真微程序機(jī)器級高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級傳統(tǒng)機(jī)器級A機(jī)器系統(tǒng)模擬高級語言級操作系統(tǒng)級傳統(tǒng)機(jī)器級B機(jī)器系統(tǒng)仿真宿主機(jī)虛擬機(jī)目標(biāo)機(jī)11/7/202484模擬：用一臺機(jī)器的指令系統(tǒng)，去解釋另一臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器的指令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)軟件的移植。（實(shí)現(xiàn)容易、速度較慢）仿真：直接用微程序去解釋另一臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器的指令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)軟件的移植。（微程序編寫困難、實(shí)現(xiàn)速度較快）

模擬與仿真可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器之間軟件的移植。對于使用頻率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運(yùn)算速度，而對使用頻率低且難于用仿真實(shí)現(xiàn)的指令(包括I／O指令等)則用模擬方法加以實(shí)現(xiàn)。

11/7/202485開放式系統(tǒng)(opensystem)1978年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)首先提出了關(guān)于開放式系統(tǒng)的新概念。

是指—種獨(dú)立于廠商，且遵循有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)而建立的、具有系統(tǒng)可移植性、交互操作性，從而能允許用戶自主選擇具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和多廠商產(chǎn)品渠道的系統(tǒng)集成技術(shù)的系統(tǒng)。它是相對于原來的封閉系統(tǒng)或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)而言的。USB,TCP/IPJava,CORBA,WebServices等11/7/202486二、器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響器件發(fā)展使得計算機(jī)的主頻速度、單芯片的集成度飛速提高。（如1979年推出的8088/8086，主頻約5MHz，單芯片上集成2.9萬個晶體管；1997年推出的PII主頻在300MHz左右，單芯片上集成1500萬個晶體管）器件的發(fā)展使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)“下移”速度加快。11/7/202487器件的發(fā)展使得器件原有的使用性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變（通用型→現(xiàn)場型→專用型）。器件的發(fā)展會影響到算法、語言和軟件的發(fā)展。器件的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計思想和邏輯設(shè)計方法。器件是推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要動力，最活躍的因素，是計算機(jī)更新?lián)Q代的標(biāo)志之一。11/7/20248811/7/20248911/7/202490美國NSF向美國政府申請2009年計劃經(jīng)費(fèi)2000多萬美元，為超越摩爾定律(SEBML)部署新計劃NSF：摩爾定律將在10到20年后達(dá)到物理和概念上的極限具體方向包括：碳納米管、量子計算和并行計算以及大規(guī)模多核計算機(jī)等11/7/202491三、應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者總是根據(jù)用戶（市場）需求設(shè)計或改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)發(fā)展。在某個應(yīng)用領(lǐng)域的確定以后，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者的首要任務(wù)，是確保系統(tǒng)中的每一個功能部件獲得更高的性能。11/7/202492系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展小結(jié)軟件是促使計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最重要的因素沒有軟件，機(jī)器就不能運(yùn)行，所以為了能方便地使用現(xiàn)有軟件，就必須考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計軟件最重要應(yīng)用需求是促使計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動力機(jī)器是給人用的，我們追求更快更好，機(jī)器就要做得更快更好需求最根本器件是促使計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展最活躍的因素沒有器件就產(chǎn)生不出電腦，器件的每一次升級就帶來計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)器件最活躍11/7/2024931.4.3計算機(jī)的成本和價格成本敏感設(shè)計(Cost-sensitivedesigns)：--非設(shè)計時的元器件成本，而是產(chǎn)品交付市場時的規(guī)劃成本。--封裝成本。隨著時間的推移，設(shè)計時安排在一個印制板上的所有器件，生產(chǎn)時可能只用一個單芯片集成。11/7/202494平均折扣毛利潤直接成本元器件成本計算機(jī)產(chǎn)品價格的構(gòu)成25-40%35-40%6-8%20-30%制造成本：工人工資、元器件采購、器件損耗、維護(hù)保修等間接成本：研制費(fèi)、銷售費(fèi)、廣告宣傳費(fèi)、廠房租金、設(shè)備使用、管理費(fèi)等利潤（批零差價）：生產(chǎn)廠家利潤、中間商利潤、零售商利潤等目錄價格11/7/202495部分習(xí)題解答1．2如有一個經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計算機(jī)，可以按功能劃分成4級。每一級為了執(zhí)行一條