软件--01计算机组成原理.pptx

1、,计算机组成原理,合肥工业大学,郭骏,参考教材,Computer Organization and Designhardware and,software interface, Patterson and Hennessy,3nd Edition, Morgan Kaufmann Pub., 英文版：机械工业出版社影印, 中文版：机械工业出版社 郑纬民 等 翻译,Computer Systems A Programmers Perspective,Randal E. Bryant Devid OHallaron, Prentice-Hall,Internation Inc. 2003 中文译本

2、：深入理解计算机系统 中国电力出版社 龚奕利 等，2004,Ch1: Computer Abstractions 计算机系统概述,2014年2月16日星期日,数据处理、数据存储、数据传送,计算机的特点： 高速：高速元件和“存储程序”工作方式带来高速性 通用：体现在处理对象和应用领域没有限制 准确：精度足够的算术运算带来准确性 智能：逻辑推理能力带智能性,1.1 计算机的功能和特点 计算机的功能：,信号控制,1,1.2 计算机的发展史 一、计算机的产生和发展 第零代机械计算机（16421945） 第一台能工作的计算机器 1642年由法国科学家Blaise Pascal（当时只有19岁）建造,纯机

3、械,加法和减法,德国数学家Leibniz建造出了还能做乘法和除法的机械计算机 剑桥大学的数学教授Charles Babbage设计和制造了微分机,以及分析机,有人称他为现代数字计算机之父,分析机可用简单的汇编语言编程，Babbage雇佣了Ada（英国 诗人Byron的女儿 ）,第一台实现顺序控制的大型自动数字计算机Mark,艾肯最早在1937年凭空设想一台大规模计算器。他需要一家公 司做搭档，而他第一个追求的门罗计算器公司(Monroe Calculator Company)拒绝了他。艾肯重头来，提出一个想要说服IBM的建议， IBM在那时的主要产品是穿孔卡片处理机。用新的方式利用许许多 多I

4、BM现有的部件是这份建议中的主要长处。,哈佛大学电气工程师艾肯(Howard Aiken) 于1944年完成,它是世界上第一台实现顺序控制的大型自动数字计算机,这台开创性的计算机同时也称为IBM自动程序控制计算机即ASCC,1944年哈佛大学和IBM公司为Mark I型计算机举行落成典礼,第一台实现顺序控制的大型自动数字计算机Mark,3000多个继电器组成,72个字,每个字有23个十进制位,指令周期为6秒,数据和指令通过穿孔卡片机输入,继Mark之后，Howard Aiken又研制了Mark（1946 继电器）、,Mark （1950电子元器件）、Mark （1952电子元器件）。,输出则由

5、电传打字机实现 它因产生可靠的计算结果及其运行24/7的能力而著称 1958年才退役 主要供美国海军舰船局计算弹道和编制射击表,bug,1946年，她在发生故障的Mark计算机的继电器触点里， 找到了一只被夹扁的小飞蛾,格蕾丝 霍波 计算机语言之母 世界上第一台大型数字计算机的 第三名程序员 计算机业最杰出女性，Cobol语言设计者，美国海军少将。 设计第一个编译程序，发现世界上第一个BUG!,也是千年虫Y2K制造者。,2 第一代电子管计算机（19451957） 第一台电子数字计算机ENIAC,1946年 美国 ENIAC,1955年退役,18 000,1 500,150 30,多个电子管,多

6、个继电器,千瓦 吨,1 500 5 000,平方英尺 次加法秒,Mauchley（顾问，天才的科学家）,Eckert（总工程师，天才的工程师）,十进制表示/运算，存储器由20个累加器组成， 每个累加器存10位十进制数，每一位由10个真空管表示 用手工搬动开关和拔插电缆来编程,关于第一台电子数字计算机有这样一个插曲,用于高频放大的通用双三极管6N1,世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946),第一台存储程序式计算机 1945年，ENIAC的顾问von Neumann在一个新的EDVAC,设计方案中提出了存储程序的概念,1952年才完成,等等。,1967年度计算机世界最高奖图灵奖”,剑桥大学的

7、Maurice Wilkes于1946年5月得到了一份设计方 案的复印件后设计自己的计算机EDSAC并组织实施 1949年5月6日EDSAC首次运行成功 1951年正式投入市场的LEO计算机，通常被认为是世界上 第一个商品化的计算机型号。 面包公司 J. Lyons vk = vk+1; vk+1 = temp; 1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 00

8、00 0000 0000 0100 , EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add, IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,.,一个典型程序的转换处理过程,1 #include ,经典的“ hello.c C-源程序,#,i,n,c,l,u,d,e,s,t,d,i,o,.,hello.c的ASCII文本表示,35 105 110 99 108 117 100 101 32 60 115 116 100 105 111 46 h n n i n t m a i n ( ) n 104 62 10 10 105 110 116 32 109

9、 97 105 110 40 41 10 123 n p r i n t f ( h e l 10 32 32 32 32 112 114 105 110 116 102 40 34 104 101 108 l o , w o r l d n ) ; n 108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10 125 计算机能够直接识 别hello.c源程序吗？,2 3 int main() 4 5 printf(hello, worldn); 6 程序的功能是： 输出“hello,world 不能，需要转换为机 器语言代码! 即：编译,DAT

10、AS SEGMENT STRING DB 13,10, ,* HELLO WORLD! *,13,10,$,DATAS ENDS CODES SEGMENT ASSUME CS:CODES,DS:DATAS START: MOV AX,DATAS MOV DS,AX LEA DX,STRING MOV CX,5 AAA: MOV AH,9 INT 21H LOOP AAA MOV AH,4CH INT 21H CODES ENDS END START,一个典型系统的硬件组成,CPU,MM,Input/Output PC：程序计数器；ALU：算术/逻辑单元；USB：通用串行总线,hello,He

11、llo可执行文件,Hello程序的数据流动过程 Red：shell命令行处理 Blue：可执行文件加载 Green：hello程序执行过程,hello,world/n,数据经常在各存储部件间传送。故现代计算机大多采用“缓存”技术！ 所有过程都是在CPU执行指令所产生的控制信号的作用下进行的。,unix ./hello Enter hello, world unix hello hello,world/n,Assembler,Computer Hierarchy（计算机系统层次）,I/O,CPU,Application Compiler Operating System,Architecture

12、,最终用户 End User 系统管理员 System Administrator Instruction Set,应用程序员 Application Programmer 系统程序员 System Programmer,MM,Digital Design Circuit Design 指令集体系结构（即ISA）是软/硬件的交界面 不同用户工作在不同层次，所看到的计算机不一样 中间阴影部分就是本课程主要内容，处于最核心的部分！,课程主要内容, 性能评价（Performance measurement） 计算机算术（Arithmetic for Computer）, 数据的表示和运算, 存储器层

13、次结构（Memory Hierarchies ）, 指令集体系结构（Instruction Set Architecture） CPU设计, 数据通路 (Data path) 和控制器(Control Unit), 流水线技术 (Pipelining), 系统总线 （System Buses）, 输入/输出系统（Input / Output system）,1.6 计算机性能评价,制造成本（manufacturing cost）(略) 衡量计算机性能的基本指标 响应时间（response time）,执行时间（execution Time）、等待时间（latency）,throughput （

14、吞吐量、吞吐率）,带宽（bandwidth）, 计算机性能测量, 指令执行速度（MIPS、MFLOPS） 基准程序（ Benchmark）,1.6.1 计算机性能的基本评价指标,相对性能用执行时 间的倒数来表示！,计算机有两种不同的性能 Time to do the task, 响应时间（response time） 执行时间（execution time） 等待时间或时延（latency） Tasks per day, hour, sec, ns. . 吞吐率（throughput）, 带宽（bandwidth） 基本的性能评价标准是：CPU的执行时间 X is n times faster

15、 than Y means ExTime(Y) Performance(X) = ExTime(X) Performance(Y),不同应用场合用户关心的性能不同： 要求吞吐率高的场合，例如：,多媒体应用（音/视频播放要流畅） 要求响应时间短的场合：例如： 事务处理系统（存/取款速度要快） 要求吞吐率高且响应时间短的场合： ATM、文件服务器、Web服务器等,1.6.2 计算机性能的测量 比较计算机的性能时，用执行时间来衡量 完成同样工作量所需时间最短的那台计算机就是性能最好的 处理器时间往往被多个程序共享使用，因此，用户感觉到的 程序执行时间并不是程序真正的执行时间 通常把用户感觉到的响应时

16、间分成以下两个时间： CPU时间：指CPU真正花在程序执行上的时间。包括：, ,用户CPU时间：用来运行用户代码的时间 系统CPU时间：为了执行用户程序而需要运行操作系,统程序的时间 其他时间：等待I/O操作完成或CPU花在其他用户程序的时 间,问题：用户CPU时间与系统响应时间哪个更长？,系统性能和CPU性能不等价，有一定的区别,系统性能(System performance)：,系统响应时间,与CPU外的其他部分也都有关系 CPU性能(CPU performance)：用户CPU时间 本章主要讨论CPU性能，即： CPU真正用在用户程序执行上的时间,CPU执行时间的计算,CPU 执行时间

17、= CPU时钟周期数 / 程序 X 时钟周期,= CPU时钟周期数 / 程序 时钟频率 = 指令条数 / 程序 X CPI X 时钟周期,CPU时钟周期数 / 程序 = 指令条数 / 程序 X CPI CPI = CPU时钟周期数 / 程序 指令条数 / 程序 CPI 用来衡量以下各方面的综合结果 Instruction Set Architecture（ISA） Implementation of that architecture Program（Compiler、Algorithm）, CPI：Cycles Per Instruction,instr. count,CPI,clock r

18、ate,Program Compiler Instr. Set Arch. Organization Technology 思考：三个因素与哪些方面有关？,Aspects of CPU Performance Seconds Instructions Cycles Seconds CPU time = = Program Program Instruction Cycle, ,Aspects of CPU Performance,instr. count,CPI,clock rate,Program Compiler Instr. Set Arch., , () ,Organization T

19、echnology, ,问题：ISA、计算机组织（Organization）、计算机实现技术（Technology） 三者的关系是什么？,CPU time =,=,Seconds Program,Instructions Cycles Seconds Program Instruction Cycle,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机系统结构, 系统结构定义：从计算机系统的层次结构定义，系统结构 (SystemArchitecture)是对计算机系统中各级界面的划分 、定义及其上下的功能分配。每级都有其自己的系统结构, 透明性：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，简称 透明(T

20、ransparent)。不同机器级程序员所看到的计算机属 性是不同的，它就是计算机系统不同层次的界面。, 系统结构研究的内容：就是要研究对于某级，哪些属性应,透明，哪些属性不应透明。透明可简化该级的设计，但因 无法控制，也会带来不利影响。因此，要正确进行透明性 取舍。,计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及 对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程序设 计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器 上正确运行应看到和遵循的计算机属性,计算机系统结构也称计算机系统的体系结构,(ComputerArchitecture),它只是系统结构中的一部分，指的 是传统机器级的系统

21、结构。它是软件和硬件/固件的交界面， 是机器语言、汇编语言程序设计者，或编译程序设计者看到的 机器物理系统的抽象。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机系统结构的属性, 硬件能直接识别和处理的数据类型及格式等的数据,表示；, 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方,式, 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定,等的寄存器组织；, 二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式,、控制机构等的指令系统；,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机系统结构的属性, 内存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编,址空间等的存储系统组织；, 中断的分类与分级、中断处理程序功能及

22、入口地址,等的中断机构；, 系统机器级的管态和用户态的定义与切换；, 输入/输出设备的连接、使用方式、流量、操作结,束、出错指示等的机器级I/O结构；, 系统各部分的信息保护方式和保护机构等属性。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机的组成, 计算机组成的定义：计算机组成（computer,organization，又称计算机设计）是指计算机系统的逻 辑实现。包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻 辑设计等。它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机 构、各部件的功能以及各部件间的联系。, 计算机组成的设计是按所希望达到的性能价格比，最佳,、最合理的把各种设备和部件组成计算机，以实现所

23、确 定的计算机系统结构。对传统机器程序员来说，计算机 组成的设计内容一般是透明的。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机的组成, 计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件,子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内 部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特 性。, 计算机组成设计要确定的方面（内容）, 数据通路宽度：数据总线上一次并行传送的信息位数, 专用部件的设置：是否设置乘除法、浮点运算、字符处理、地 址运算等专用部件，设置的数量与机器要达到的速度、价格及 专用部件的使用频度等有关。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机的组成,计算机组成设计要确定

24、的方面（内容）, 各种操作对部件的共享程度：分时共享使用程度高，虽限制了 速度，但价格便宜。设置部件多降低共享程度，因操作并行度 提高，可提高速度，但价格也会提高。, 功能部件的并行度：是用顺序串行，还是用重叠、流水或分布,式控制和处理。, 控制机构的组成方式：用硬联还是微程序控制，是单机处理还,是多机或功能分布处理。, ,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,计算机实现, 定义： 计算机实现(Computer Implementation)指的,是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的 物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、 底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，

25、信 号传输，电源、冷却及整机装配技术等。, 它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实,现技术中起着主导作用。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,举例：计算机系统结构、组成和实现区别。, 关于指令系统：, 指令系统的确定属于计算机系统结构。, 指令的实现，如取指令、指令操作码译码、计算操 作数地址、取数、运算、送结果等的操作安排和排 序属于计算机组成。, 实现这些指令功能的具体电路、器件的设计及装配,技术属于计算机实现。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,举例：计算机系统结构、组成和实现区别。,具体的某条指令, 确定指令系统中是否要设乘法指令属于计算机系统,结构。, 乘法指令

26、是用专门的高速乘法器实现，还是靠用加 法器和移位器经一连串时序信号控制其相加和右移 来实现属于计算机组成。, 乘法器、加法-移位器的物理实现，如器件的类型、 集成度、数量、价格，微组装技术的确定和选择属 于计算机实现。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,举例：计算机系统结构、组成和实现区别。,主存容量与编址方式, 按位、按字节还是按字访问等的确定属于计算机系,统结构, 为达到性能价格要求，主存速度应该为多少，逻辑,结构是否采用多体交叉属于计算机组成。, 主存器件的选定、逻辑设计、微组装技术的使用属,于计算机实现。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,举例：计算机系统结构、组成和实现区

27、别。,系列机, 设计何种系列机属于计算机系统结构，而系列内不同 型号计算机的组织属于计算机组成。 IBM370系列有 115、125、135、145、158、168等由低档到高档的多 种型号机器。, IBM370系列机有相同的机器指令和汇编指令系统，只 是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高 档机上则采用重叠、流水或其他并行处理方式。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,IBM370系列的概念性结构,举例：计算机系统结构、组成和实现区别。,系列机, 数据形式(即数据表示)都是相同的32位字长，定点数 都是半字长16位或全字长32位，浮点数都是单字长32 位、双字长64位或四字长12

28、8位，属于计算机系统结构 。, 数据通路宽度不同：由于速度、价格的要求不同，在 组成和实现时，数据通路宽度(数据总线线数)可以分 别采用8位、16位、32位或64位，数据总线宽度对程序 员是透明的，是他不需要知道的，属于计算机组成。,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,(a)统一的字长与定、浮点数表示；(b)不同的数据通路宽度,IBM370系列,计算机系统结构、组成、实现三者互不相同，又相互影响, 同结构(如指令系统相同)的计算机，可以因速度不同而,采用不同的组成, 一种组成可有多种不同的实现方法。如主存器件可用双 极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片 小规模集成电路组成

29、。这取决于要求的性能价格比及器 件技术状况, 结构不同会使可能采用的组成技术不同,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵, 反过来，组成也会影响结构，微程序控制就是一个典,型的例子，通过改变微程序可以系统的机器指令，改 变结构。, 三者在不同时期所包含的具体内容不同。在某些系统,中作为结构的内容，在另些系统中可能是组成和实现 的。, 计算机组成和实现关系密切，都可称为计算机实现。,即计算机系统的逻辑实现和物理实现,计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵,CPU时间时钟周期CPIi Ci,n i=1,所以，,如何计算CPI? 对于某一条特定的指令而言，其CPI是一个确定的值。但 是，对于某一类指

30、令、或一个程序、或一台机器而言，其CPI 是一个平均值，表示该类指令或该程序或该机器的指令集中每 条指令执行时平均需要多少时钟周期。 假定CPI i 和 C i分别为第 i类指令的CPI和指令条数，则 程序的总时钟数为： n i=1,假定Fi是第i条指令在程序中的出现频率，则程序综合CPI为:,where,x,i,Fi,n CPI = CPI i= 1,i,Ci Instruction_Count,F =,已知CPU时间、时钟频率、总时钟数、指令条数， 则程序综合CPI为: CPI = (CPU 时间时钟频率) / 指令条数 = 总时钟周期数 / 指令条数 单靠CPI不能反映CPU的性能！为什

31、么？ 如：单周期处理器CPI=1，但性能差！,Example1,程序P在机器A上运行需10 s， 机器A的时钟频率为400MHz。 现 在要设计一台机器B，希望该程序在B上运行只需6 s.,机器B时钟频率的提高导致了其CPI的增加，使得程序P在机器B 上时钟周期数是在机器A上的1.2倍。机器B的时钟频率达到A的多 少倍才能使程序P在B上执行速度是A上的10/6=1.67倍？,Answer:,CPU时间A = 时钟周期数A / 时钟频率A,时钟周期数A = 10 sec x 400MHz = 4000M个 时钟频率B = 时钟周期数B / CPU时间B,= 1.2 x 4000M / 6 sec

32、 = 800 MHz,机器B的频率是A的两倍，但机器B的速度并不是A的两倍！,1.6.3 用指令执行速度进行性能评估 MIPS = Instruction Count / Time x106 = Clock Rate / CPI x 106 Million Instructions Per Second 因为每条指令执行时间不同，所以MIPS总是一个平均值。 不同机器的指令集不同, 程序由不同的指令混合而成 指令使用的频度动态变化, Peak MIPS: （不实用） 所以MIPS数不能说明性能的好坏（下页中的例子可以说明）,用MIPS数表示性能 有没有局限?,Example: MIPS数不可靠

33、！ Assume we build an optimizing compiler for the load/store machine. The compiler discards 50% of the ALU instructions.,1) What is the CPI ?,2) Assuming a 20 ns clock cycle time (50 MHz clock rate). What is the MIPS rating for optimized code versus unoptimized code? Does the MIPS rating agree with t

34、he rating of execution time?,Op Freq Cycle,ALU Load Store,43% 21% 12%,1 2 2,New Freq,27% 27% 15%,Optimizing compiler,Branch 24% CPI MIPS,2 1.57 31.8,31% 1.73 28.9,结果：因为优化后减少了ALU指令（其他指令数没变），所以程序执行 时间一定减少了，但优化后的MIPS数反而降低了。,21.5/ (21.5+21+12+24)=27% 21 / (21.5+21+12+24)=27% 12 / (21.5+21+12+24)=15%,24

35、/ (21.5+21+12+24)= 31% 50M/1.57=31.8MIPS 50M/1.73=28.9MIPS,仅仅在软件上进行优化，没有涉及到任何硬件措施,1.6.3 用指令执行速度进行性能评估, MFLOPS = FP Operations / Time x106,Million Floating-point Operations Per Second, 与机器相关性大, 并不是程序中花时间的部分,问题：TFLOPS、PFLOPS等的含义是什么？,1.6.4 选择性能评价程序（Benchmarks）, 用基准程序来评测计算机的性能, 基准测试程序是专门用来进行性能评价的一组程序 不同

36、用户使用的计算机用不同的基准程序, 基准程序通过运行实际负载来反映计算机的性能, 最好的基准程序是用户实际使用的程序或典型的简单程序,SPEC （Successful Benchmark）, 1988年，5家公司（ Sun, MIPS, HP, Apollo, DEC ）联合提 出了SPEC (Systems Performance Evaluation Committee), SPEC给出了一组标准的测试程序、标准输入和测试报告。,它们是一些实际的程序，包括 OS calls、 I/O等。, 版本 89：10 programs = 4 for integer + 6 for FP, 用每个程

37、,序的执行时间求出一个综合性能指标,Successful Benchmark: SPEC, 版本95： 8 int + 10fp, 较新版本： include SPEC HPC96, SPEC JVM98, SPEC,WEB99, SPEC OMP2001. SPEC CPU2000，See,, 版本92：SPECInt92 (6 integer programs) and SPECfp92 (14,floating point programs), 整数和浮点数单独提供衡量指标：SPECInt92和SPECfp92 增加 SPECbase: 禁止使用任何与

38、程序有关的编译优化开关,What are your conclusions? A is 10 times faster than B for program1. B is 10 times faster than A for Program2.,Total exec. time是一个综合度量值，可以据此得出结论： B is 1001/110=9.1 times faster than A 实际上，可考虑每个程序在作业中的使用频度，即加权平均,如何给出综合评价结果? 问题：如果用一组基准程序在不同机器上测出了运行时间， 那么如何综合评价机器的性能呢？ 先看一个例子： Program 1: 1 s

39、ec on machine A, 10 sec on machine B Program 2: 1000 sec on A，100 sec on B,这个结论无法比 较A和B的好坏 必须用一个综合 的值来表示！,综合性能评价的方法, 可用以下两种平均值来评价：, Arithmetic mean(算术平均)：求和后除n Geometric mean(几何平均)：求积后开根号n, 根据算术平均执行时间能得到总平均执行时间, 根据几何平均执行时间不能得到程序总的执行时间,综合性能评价的方法,执行时间的归一化（测试机器相对于参考机器的性能）：, time on reference machine time on measured machine 平均归一化执行时间不能用算术平均计算，而应该用几何平均, program A going from 2s to 1s as important as,program B going from 2000s to 1000s.,（算术平均值不能反映这一点！）,综上所述，算术平均和几何平均各有长处，可灵活使用！, 基准程序的缺陷,现象：基准程序的性能与某段短代码密切相关时，会被利,用以得到不当的性能评测结果,手段：硬件系统设计人员或编译器开发者针对这些代码片,段进行特殊的优化，使得执行