《计算机系统结构》电子教案(课1)课件

计算机系统结构2014.2.171计算机系统结构课程概况教材《计算机系统结构教程》张晨曦等，清华大学出版社，2009参考书计算机系统结构学习指导与题解张晨曦等，清华大学出版社，2009辅助资料（到公共邮箱下载）补充习题与实验，MIPS64指令集，实验模拟软件等总学时：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习题：2复习：2停课：22014.2.172计算机系统结构JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson,ComputerAchitecture:AQuantitativeApproach,3thedition,MorganKaufmann,2002.外文参考书2014.2.173计算机系统结构各次作业应交的内容（9个周三）2014.2.175计算机系统结构作业与考试说明1.每周三课堂内交作业，下周一发还。忘带作业者可在下周一补交，再迟不收，等最后一次课交来登记“迟交”。建议准备2个作业本交替使用；2.每次作业记分，百分制，其平均值作为本课程总分的20%。迟交作业记60分。最后一次课仍未完成的作业为缺交，记0分；3.写作业不要抄题，但要将计算过程、答数写完整；4.发回来的作业本应批注“阅”字，否则表明缺题，没有评阅和记分；5.作业批改时，老师只标出错误的地方，一般情况下未标记的题目为正确答案；6.考试为闭卷，知识范围及题型与平时作业基本相同；7.课件与有关资料请到公共邮箱拷贝；8.答疑以E-mail形式为主，林老师的邮箱是；9.林老师的办公电话是87792429（有急事联系用，不作为答疑）。2014.2.176计算机系统结构网络资源公共邮箱：用户帐号：用户密码：c12-s502（注意字母是小写）邮箱内容：下载课件、辅助资料等教材辅助：

2014.2.177计算机系统结构1.1.1计算机系统层次模型———跨越语义鸿沟的解决之道1.1基本概念复杂的人类自然语言逐级翻译简单的逻辑电路语言L6：专用应用语言虚拟机L5：通用高级语言虚拟机L4：汇编语言虚拟机L3：操作系统语言虚拟机L2：机器语言（传统机器）L1：微指令语言虚拟机L0：逻辑电路物理机L7：自然应用语言虚拟机软件实现硬件实现2014.2.179计算机系统结构计算机系统结构是什么？广义定义：程序员必须掌握的计算机属性（P3，Amdahl定义）狭义定义：机器语言程序员必须掌握的计算机属性

（包括：数据表示、寻址规则、寄存器组织、指令系统、中断机构、机器工作状态、存储系统、信息保护手段、输入/输出结构与管理）理解：如果两台计算机的系统结构相同，则它们对软件来说具有完全相同的属性，所以软件在它们上面是互相通用的，即互为“兼容机”。

兼容机：指系统结构相同而组成、实现技术不同的计算机。1.1.2计算机系统结构的定义2014.2.1710计算机系统结构计算机系统结构这门课教什么？学科定义：通过硬软件结合方法提高计算机性能的理论与技术说明：1.计算机性能指速度、容量等；2.提高计算机性能的硬件技术———由“组成原理”负责（如并行主存）；3.提高计算机性能的软件技术———由“计算方法”负责（指各种优化算法）。举例：“虚拟存储器”就是一种通过硬软件结合方法提高计算机存储容量的技术。1.1.3计算机系统结构的任务2014.2.1711计算机系统结构1.1.2“透明性”概念（P3）1.1.3计算机组成和计算机实现（P3）1.2.3计算机系统设计的主要方法（P12）1.4.2软件对系统结构的影响（P19）1.5.1并行性的概念（P23）1.5.2提高并行性的技术途径（P25）1.5.4多机系统中并行性的发展（P26）其它定性知识（自行阅读）2014.2.1713计算机系统结构第一组：Amdahl定律（加速比公式）1.加速比定义（1.1）2.基本Amdahl定律（加快经常性事件原理）（1.2）上式中：Sn──系统加速比（Speedup，下标n意义不详）；

To──原执行时间（Timeold）；Tn──新执行时间（Timenew）；Se──被改进部分的部件加速比（enhanced）；

Fe──被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比（Fraction）。1.2.1定量知识───三组性能公式（P7）2014.2.1714计算机系统结构改进之前程序运行总时间：改进之后，由于部分操作加快，总时间下降为：根据定义，总加速比：基本Amdahl定律的推导2014.2.1715计算机系统结构基本Amdahl定律的极限这是一个非常有用的衍生公式。（1.2a）2014.2.1717计算机系统结构已知Fe=0.4，Se=15，求Sn（说明：在国外教材中，“加快15倍”就表示是它的15倍，国内科技界目前也在逐步照此统一）解：使用基本Amdahl定律公式即系统加速比Sn=1.6倍（注意：远小于部件加速比）。例1.1（P8）2014.2.1718计算机系统结构已知Se=25，Sn=4，求Fe解：将已知参数代入基本Amdahl定律公式解得：Fe≈0.781例1.2（P8）2014.2.1719计算机系统结构

已知Fe=0.4，Se=20（注：加快20倍即等于20倍）。求Sn，并画出Se从0增长到+∞时Sn的曲线。解：

课堂练习（习题1.9，加1问）2014.2.1721计算机系统结构3.扩展Amdahl定律───多部件改进公式（1.3）其中：Sn──系统加速比；Sei──第i个被改进部分的部件加速比；

Fei──第i个被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。2014.2.1722计算机系统结构扩展Amdahl定律的推导记可同时改进的部分数为n，改进之前程序运行总时间为上式右端方括弧内“+”前项代表不可改进部分总比例，“+”后项代表可改进部分总比例。改进之后程序运行总时间为代入加速比的定义式，得2014.2.1723计算机系统结构2.CPI——每指令周期数（CyclesPerInstruction，P9）（1.5）

CPI反映CPU执行指令的效率。从CPU时间公式知，如果提高主频（即缩短CYCLE）的同时也增加CPI，则CPU时间不一定会缩短。

CPI公式推导：

参照CPU总时间公式，可以写出其中第i种指令的时间公式。设指令种类数为n，在顺序执行方式下CPU总时间又可以写为

显然这两个Te公式右边应该相等，于是有。改写它，就得到上面的CPI公式。它表明CPI为所有CPIi的加权平均值，而对应的“权”就是该类指令所占的比例。2014.2.1725计算机系统结构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）

有时题目只给出部分指令的CPIi变化量，求平均CPI的变化量，这时用基本CPI公式无法计算，就要用它的差分形式（不变部分被忽略）。差分CPI公式推导：把CPI公式展开：如果各类指令的比例不变，但周期数都变了：两式相减：简写即为上面的差分CPI公式。2014.2.1726计算机系统结构例1.4（原题见教材P9）要比较两个机器的快慢，根据刚才所学的公式，可以比较它们的加速比Sn、每条指令周期数CPI、CPU时间、每秒百万指令数MIPS等指标，具体选择应看所给的已知条件更接近哪一个公式。本题看起来用CPU时间比较合适。题意分析：已知条件都是相对值，不便于建立绝对数字概念。不妨引进一个辅助参量——指令总数M，这样就可以把各个成分都表示成以M为基数的绝对值。另外用CYCLEA、CYCLEB分别代表CPUA、CPUB的时钟周期。示意如下2014.2.1729计算机系统结构例1.4（续）解：(1)假设CYCLEB=1.35CYCLEA

比较知：，CPUA更快。(2)假设CYCLEB=1.15CYCLEACPIA、CPU时间A、CPU时间B都与上面相同，但是

再次比较知：，CPUB更快。(3)结论：CPU时间受多种因素影响，一项改进带来的副作用有时会抵消其好处。2014.2.1730计算机系统结构1.MIPS（每秒百万指令数，反映CPU执行指令的速度）MillionInstructionsPerSecond，主要用于评测标量计算机（1.7）2.MFLOPS（每秒百万浮点数，反映CPU处理数据的速度，教材外补充）MillionFloationg-pointOperationsperSecond，主要用于评测向量计算机；(1.8)3.二者换算关系：，其中分母要根据具体程序来确定，例如对标量运算可以取3。第三组：MIPS与MFLOPS公式（CPU速度）2014.2.1731计算机系统结构例1.6（补充，习题指导书题1.44）某台处理机的时钟频率为15MHz，执行测试程序的速率为10MIPS，假设每次存储器存取需1个时钟周期的时间。(1)求处理机的CPI值；(2)假设将处理机的时钟频率提高到30MHz，但存储器的工作速率不变，这使得每次存储器存取需要2个时钟周期。如果测试程序中30%指令需要1次访存，5%指令需要2次访存，其它指令不需要访存，求该测试程序在改进后的处理机上执行的速率（MIPS）。解：(1)由，得(2)因为每条指令都有取指操作，所以此题说的“存储器存取”应指数据存取。整理上述条件知，30%指令的CPI增加1个时钟周期（数据存取由1周期变2周期），5%指令的CPI增加2个时钟周期（数据存取由2周期变4周期），65%指令不增加时钟周期（不需数据存取）。2014.2.1732计算机系统结构例1.6（续）代入差分CPI公式得：现在评估处理机性能的改变。方法A：比较CPU时间。参照例1.4，也设指令总数为M，下面2式表明CPU时间缩短到原来的约0.63倍。方法B：比较CPU速度MIPS。下面2式表明CPU速度提高到原来的约1.6倍。（实际上1/0.63≈1.6，与CPU时间的比较等价。）2014.2.1733计算机系统结构各次作业应交的内容作业1（第1次课）1.10(改)，1.7，1.11（要求用2解法）2014.2.1734计算机系统结构习题1.10(改写，原题意不清)系统中有3个部件同时改进，加速比分别为30、20和10。(1)如果前2个部件时间占总时间比例均为30%，第3个部件所占比例要达到多少，才能使系统加速比达到10？(2)如果3个部件时间占总时间比例分别为30%、30%、20%，改进之后未被改进部分时间占总时间的比例为多少？分析：解：2014.2.1735计算机系统结构习题1.71.7某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。分析：解：2014.2.1736计算机系统结构习题1.11（要求至少用2种解法）假设浮点数指令中FP