计算机系统结构的基本概念.ppt

1、高等计算机系统结构计算机系统结构是计算机科学领域的一个重要分支。它强调从整体结构和系统分析的角度研究计算机系统。通过本书的学习，读者可以将“计算机组成原理”、“数据结构”、“操作系统”和“汇编语言程序设计”课程中所学的软硬件知识有机地结合起来，从而建立起一个完整的计算机系统概念。教材前言，教材，张晨曦等，高等教育出版社，2008年6月，约翰轩尼诗，大卫帕特森。中文版：计算机系统结构的定量研究方法(第三版)。由郑为民、唐志中和王东升翻译。电子工业出版社英文版：计算机体系结构：a定量方法，第三版机械工业出版社郑为民唐志中。清华大学出版社，1998.9计算机体系结构(第二版)，网站，张晨曦精品课程网

2、站http:/www.gotoscs252主页/cs252/北京大学微处理器研究开发中心www计算机体系结构网页/阿奇/www/，第1章，计算机体系结构的基本概念，计算机体系结构的概念和发展，计算机体系结构并行性的定量分析和性能评价，1.1引言计算机技术的快速发展得益于：制造技术和设计创新。基于微处理器的系统主宰了整个计算机设计领域。工作站和个人电脑已经成为计算机行业的主要产品。小型计算机已经被装有微处理器的服务器所取代，大型计算机几乎已经被由通用微处理器组成的多处理器所取代。系统结构的一

3、个重大转折：从单纯依靠指令级并行发展到线程级并行和数据级并行，1.2.1计算机系统的层次结构，虚拟：原本不存在的事物或属性由其他组件实现，例如，虚拟机：由软件实现的机器，如虚拟主存、虚拟磁盘和虚拟现实，从不同角度具有不同的计算机系统属性，1.2.2计算机系统结构的定义， 阿姆达尔在1964年介绍IBM360系列计算机时提出了系统结构的概念：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念结构和功能特征机器语言程序员必须理解的计算机结构，以便为那台机器编写正确的(与时间无关的)程序。 例如，浮点数表示和乘法指令对高级语言程序员和应用程序程序员来说是透明的。它对汇编语言程序员和机器语言程序员是不透明的。例如

4、，数据总线宽度和微程序对汇编语言程序员和机器语言程序员是透明的，但对硬件设计人员和计算机维护人员是不透明的。软件和硬件接口、汇编程序、编译器、操作系统、库、ISA、S/W、硬件、软件、指令集体系结构、1.2.3计算机组成和计算机实现、计算机体系结构计算机系统的软件和硬件之间的接口控制程序员所看到的计算机属性的外部特征。计算机组织组织计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现计算机系统结构的物理实现、组成和实现是三个完全不同的概念，它们有着非常密切的依赖性和相互影响。广义计算机系统结构不仅包括经典指令集结构，还包括计算机组成与实现技术、结构、组成与实现的研究。一个系统结构可以有多种物理实现，无论是设置

5、电源/处方指令，逻辑设计1(硬连线电路)，实现方案1 (V1，1，T1)，逻辑设计3(微程序)，逻辑设计2(只读存储器实现方案2 (V2，2，T2)，实现方案3 (V3，3，T3)，1.2.4计算机系统结构的分类， Flynn1966根据指令流和数据流的多倍体将单指令流和单数据流分类SISD:顺序处理计算机单指令流和多数据流SIMD:多媒体指令和矢量计算机多指令流单数据流MISD:无商业多指令流和多数据流MIMD:多处理器系统，指令流：计算机执行的指令序列数据流：指令流调用的数据序列多重性：同一时间同一执行阶段指令或数据的最大数量，1.3.1计算机系统设计的定量原则，1。 关注频繁事件(高概率

6、事件优先原则)，采用优化方法加速频繁事件，对最常见的事件给予优先处理和资源使用权。2.阿姆达尔定律定义了系统性能的加速比，用来计算系统的某些部分得到改进后，系统的整体性能可以提高多少。快速解决常见问题！加速比1，改进前可改进部分与原始执行时间的比率；改进后，性能改进比改进后，加速比2，未改进比：1Fe，改进比：Fe，Fe/Se，未改进部分，未改进比：1Fe，加速比3，当Fe(改进比)很小时，甚至0: Sn1当Se(部件加速比)很大时，甚至0:Sn1，Sn:系统加速比To:采取改进措施前执行该任务所用的时间Tn:采取改进措施后执行该任务所用的时间，例如1.1。 某个函数的处理速度提高到原来的20

7、倍，而这个函数原来的处理时间只占整个运行时间的40%，那么就采用了这个函数。 根据阿姆达尔定律，加速度比是：例如1.2。计算机系统采用浮点运算组件后，浮点运算速度提高了20倍，运行程序的系统整体性能提高了5倍。计算程序中浮点运算的比例。解答：从问题的含义来看：硒=20，锡=5。根据阿姆达尔定律，铁=84.2%的比率可以提高。3.CPU性能公式、CPU性能的影响因素、CPU时间、CPI时钟周期长度、CPI、时钟周期、指令号IC、程序、编译器、计算机组织、实现技术等。其他浮点运算的比例为23%，消费物价指数为4.0；其余75%指令的CPI为1.33，计算该处理器的CPI。如果FPSQR操作的消费物

8、价指数也是4.0，则重新计算消费物价指数。答：CPI 11002 B3 % 1.3375% 3.92 CPI 2425% 1.3375% 2.00改进了用户程序中只占2的平方根运算，整机的等效运算速度提高了近一倍。例1.31，条件转移指令有两种设计方案：CPUA:比较指令集条件码，条件转移指令测试条件码到转移CPUB。CPUA的有条件分行指令占20%，CPUA的比较指令也占20%。如果CPUA的时钟周期比中央处理器快1.25倍，哪个中央处理器更快？如果CPUA的时钟周期比中央处理器快1.1倍，哪个中央处理器更快？示例1.32，答案：CPIA 20 (0.2个中央处理器时间AICA1.2时钟周期A CPUB没有独立比较指令：ICB 80%ICA CPUB条件分支指令比例：20% % CPIB 255.25中央处理器时间B 80%ICA1.25时钟周期B ICA 1.25时钟周期B 1.25时钟周期A中央处理器时间B ICA 1.25时钟周期A中央处理器时间A时钟周期B 1.1时钟周期A中央处理器时间B ICA 1.1时钟周期A中央处理器时间A中央处理器时间A，4。程序局部性原则、程序顺序执行和程序周期等。程序经常重复使用它刚刚在处理器访问内存时使用的数据和指令局部性原则。被访问的存储单元在一