计算机系统结构课件：第一章 计算机系统结构的基本概念

1、计算机系统结构 (Computer Architecture),计算机系统结构李学干 西安电子科技大学出版社 2011年 计算机系统结构 方娟 清华大学出版社 2011年 Advanced Computer Architecture Kai Hwang 清华大学出版社 1995年,参考教材,第一章：计算机系统的基础知识 第二章：指令系统 第三章：存储系统 第四章：流水线技术 第五章：并行处理机与多处理机,内容,一、现代计算机系统,发展经历了五次更新换代,从所用的器件而言 :,从结构的发展而言 :,单个CPU组成的单机系统,流水线机,大规模的并行处理机,多处理机,电子管、继电器存储,晶体管、磁介

2、质存储,集成电路、多层印刷电路,大规模和超大规模集成电路、半导体存储器,第一章 计算机系统结构的基本概念,VLSI、高密度、高速度处理机、存储器芯片,从技术的发展上而言 :,变址技术,中断技术,微程序技术,缓冲技术、共享,重用技术,虚拟技术,从语言及应用方面而言:,由汇编到高级语言，从单用户到多用户，到并行处理的语言、编译、操作系统，直到如今计算机网络、异构系统处理等等。,第一章 计算机系统结构的基本概念,五代：,第一代：19451954年，电子管和继电器； 第二代：19551964年，晶体管和磁芯存储器； 第三代：19651974年，中小规模集成电路； 第四代：19751990年，LSI/V

3、LSI和半导体存储器； 第五代：1991年至今，ULSI/GSI（Giga-Scale Integration）超大规模集成电路。,第一章 计算机系统结构的基本概念,1、现代计算机的构成,现代计算机系统结构组成的基本模式,程序设计,应用软件,硬件结构,操作系统,计算问题,算法与数据 结 构,高级语言,性能评价,连 接 ( 编 译，加 载 ),第一章 计算机系统结构的基本概念,2、 计算机系统的层次结构,虚拟机,硬件,固件,0级,1级,2级,3级,4级,5级,6级,应 用 语 言 级,高 级 语 言 级,汇 编 语 言 级,操 作 系 统 级,传 统 机 器 级,微程序机器级,电 子 线 路,应

4、用软件,系统软件,翻译(编译程序),翻译(汇编程序),软硬件界面,物理机,解释,翻译(应用程序包),图中0级2级为物理机,36级为虚拟机,5级是高级语言的运行程序,4级是汇编语言的运行程序,3级是操作系统中对各种资源的管理与控制程序,6级是应用语言级,第一章 计算机系统结构的基本概念,1、 计算机系统结构的基本概念,系统结构：从程序设计者的角度所看到的系统的属性，即概念性结构和功能特性。,计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。,第一章 计算机系统结构的基本概念,二、计算机系统结构,应用级的程序设计者与传统机的程序设计者所看到的计算机性

5、能的区别：,应用语言编程机器的功能是能够识别和执行应用语言,汇编语言编程硬件设备所体现的具体功能,第一章 计算机系统结构的基本概念,一种本来存在，有差异的事物和属性，从某种角度上看又好像不存在的现象，被称为是“透明性”,例如，高级程序员看不到各种不同类型机器的差异性，就是一个明显的例证。,透明性,第一章 计算机系统结构的基本概念,2、计算机系统结构、组成与实现,三者区别：,1.计算机系统结构 -机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性 。,2.计算机组成 -计算机系统结构的逻辑实现。,3.计算机的实现 -指其计算机组成的物理实现。,第一章 计算机系统结构的基本概念,数据表示 寄存器定义

6、 指令系统 中断系统 存储系统 输入输出结构 机器工作状态 信息保护,计算机系统结构,第一章 计算机系统结构的基本概念,计算机组成,数据通路的宽度 专用部件的设置 各功能部件 控制机构的组成方式 缓冲技术 可靠性技术的采用和方式的选择,第一章 计算机系统结构的基本概念,计算机系统的结构、组成、实现是三个完全不同的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响。,例1、指令系统 例2、乘法指令 例3、主存系统,计算机实现 逻辑设计的物理实现,第一章 计算机系统结构的基本概念,3、系统结构的分类,计算机按系统的结构分类通常有三种方法：,(一) 弗林(FLYNN)分类法 (1966年Michael

7、J.Flynn),指令流(Instruction Stream) ：指令的传送序列。,数据流(Data Stream)：数据传送 、加工的序列。,多倍性(Multiplicity)：在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段 的指令或数据的最大可能个数。,第一章 计算机系统结构的基本概念,单指令流、单数据流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 结构,如PDP-11、IBM-360/370、PC 8086、Z-80等微处理机,IS CS DS,控制部件,处理部件,主存,指令流,数据流,控制流,传统的顺序处理计算机,单指令流、单数据流

8、( SISD )结构,第一章 计算机系统结构的基本概念,单指令流、多数据流( SIMD-Single Instruction stream Multiple Data stream )结构,如ILLIAC (64个单元),阵列处理机、并行处理机,单指令流、多数据流(SIMD )结构,第一章 计算机系统结构的基本概念,多指令流、单数据流( MISD )结构,如RISC机、向量机,第一章 计算机系统结构的基本概念,多指令流、多数据流( MIMD )结构,IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一类型,多处理机系统,第一章 计算机系统结构的基本概念,(二)冯氏分

9、类法（1972年，美籍华人冯泽云教授提出）,最大并行度： 是指计算机单位时间内能够处理的最大的二进制位数 。,(1) 字串位串， WSBS， n=1,m=1 (2) 字串位并， WSBP ，n1,m=1字片处理 (3) 字并位串， WPBS， n=1,m1位片处理 (4) 字并位并， WPBP ，n1,m1,n: 一个字中同时处理二进制的位数； m: 一个位片或功能部件中能同时处理的字数。,第一章 计算机系统结构的基本概念,(三) Wolfgan Handler(汉德勒)法 （1977年德国）,从硬件设备结构的并行级和流水线的程度分类。,程序控制部件的个数 。,算术逻辑运算部件或处理部件的个数

10、 。,基本逻辑线路的套数。,t(Cray-1)=(1，128，64) t(ILLIAC-)=(1，64，64),第一章 计算机系统结构的基本概念,1、计算机系统的设计原则,(一) 加速那些使用频率高的部件提高整个计算机性能,(二) Amdahl定律,（三）程序访问局部性原理,第一章 计算机系统结构的基本概念,三、计算机系统设计,Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。,如果系统性能用执行某任务的时间来表示：,第一章 计算机系统结构的基本概念,Amdahl定律可表示为：,Sp：加速比； Te：采用改进措施前执行某任务系统所用的时间；

11、 T0：采用改进措施后所需的时间； fe： 可改进部分在原系统计算时间中所占的比例，总是小于1； re: 性能提高的倍数（T部件改进前/ T部件改进后），总是大于1。,例1：运行60s的程序中，有20s的运算可加速，则：fe=20/60=33.3%,例2：系统改进后执行程序，可改进部分花费时间为2s，改进前改进部分花费时间为5s,则：re=5/2=2.5,Sp = Te / T0,T0= Te(1 fe + fe /re),第一章 计算机系统结构的基本概念,改进前可改进部分占用的时间 fe = 1 改进前整个任务执行时间,改进前可改进部分占用的时间 re = 1 改进后改进部分的时间,第一章

12、计算机系统结构的基本概念,fe 改进后改进部分的时间 = re 改进前整个任务执行时间,不可改进时间 1 - fe = 改进前整个任务执行时间,第一章 计算机系统结构的基本概念,分析上式可以看出 :,当fe很小甚至0时，则Sp1,当re很大甚至时，则,则:,1 Sp = Te / T0 = （1 - fe）+ fe / re,第一章 计算机系统结构的基本概念,例1：计算机执行某测试程序，其中含有大量浮点数据的处理操作，为提高性能可以采用两种方案： 一是采用硬件实现求浮点数平方根(FPSQR)的操作，可以使该操作的速度提高10倍； 另一种方案是提高所有浮点数据操作(FP)的速度，使其加快2倍。

13、同时已知FPSQR操作时间占整个测试程序执行时间的20%，而FP操作占整个执行时间的50%。,第一章 计算机系统结构的基本概念,现比较两种方案，按两种情况求出其加速比：,改善浮点数据操作的方案更好一些,第一章 计算机系统结构的基本概念,例2：若考虑将系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理使用时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？,由题可知：fe=0.4，re=10，则可得：Sp=1.56,第一章 计算机系统结构的基本概念,若以Sp作纵坐标， fe作横坐标，则对不同的re，可画出Sp=f(fe)的函数。,0.0 0.5 1.0 fe,加

14、速比Sp与可增强性能部分fe的关系,由图中曲线可知，为使系统能获得较高性能加速比，则功能性能可增强部分必须占有较大的比例；否则，增强该功能就没有多大意义。,第一章 计算机系统结构的基本概念,程序访问局部性原理:,时间局部性 ： 近期被访问的代码，很可能不久又将再次被访问。,空间局部性 ： 是指地址上相邻近的代码可能会被连续的访问。,程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。,第一章 计算机系统结构的基本概念,2、计算机系统结构设计,计算机系统的功能要求、性能要求、成本要求,软、硬件功能分配的基本原则：,系统结构设计的方法：,基于计算机系统结构的层次结构，有以下三种设计方法：,自下而上的方法基本

15、不用 自上而下的方法适合专用机 由中间开始的方法,最好,第一章 计算机系统结构的基本概念,系统结构设计的步骤,设计步骤可以分为：,需求分析 需求说明 概念性设计 具体设计 优化和评价,最终目的：获得尽可能高的性能价格比。,第一章 计算机系统结构的基本概念,四、计算机的性能评价,计算机的性能以及对系统评价的目标都指系统速度的性能。,计算机的速度性能：通常是用响应时间来衡量。,响应时间：是指用户的一个任务从送入计算机处理到得到结果所需的时间 。,包含的内容：如处理速度、存储容量，I/O设备的能力，使用的方便性，系统的可靠性，可维护性，容错能力，给予系统软件的支持功能、体积等等。,响应时间包括：访问

16、磁盘，访问主存储器，输入/输出的传输，CPU运算时间及操作系统各种系统软件工作所需的时间，通常可有多种参数来表示系统性能。,第一章 计算机系统结构的基本概念,1、CPU性能,CPU性能：CPU执行用户程序所用的时间。,Tcpu=INCPI Tc,CPU执行某一程序中所包含的指令总数,时钟 周期,执行每条指令所需的平均时钟周期数,第一章 计算机系统结构的基本概念,(CPIiIi),=（CPIi ）,第一章 计算机系统结构的基本概念,例1：某台计算机只有Load/Store指令能对存储器进行读/写操作其它指令只对寄存器进行操作，根据程序跟踪实验结果，已知每种指令所占的比例及CPU时钟周期数如下:

17、求：上述情况的平均CPI。,第一章 计算机系统结构的基本概念,CPI=10.43+20.21+20.12+20.24 =0.43+0.42+0.24+0.48=1.57,第一章 计算机系统结构的基本概念,例2：如果FP操作比例为25%，FP的平均CPIFP原=4，其他指令的平均CPI其它为1.33。FPSQR操作比例为2%，而FPSQR的CPISQR原=20。 改进的方案有二： 一是提高FP操作的速度，使其增加一倍，即CPIFP改=2； 二是提高FPSQR的速度10倍，即CPISQR改=2；试比较两个方案，求解；其中设定IN与TC都是不变的，在此基础上求出改进前后所具有的CPI值，进行比较。

18、CPI（原）= =（40.25）+(1.330.75)=2 采取以下两种方案进行改进:,（CPIi ）,第一章 计算机系统结构的基本概念,方案1： 改进所有浮点操作指令使FP的平均CPI值提高一倍，即: CPIFP改=2 整个程序在改进后的值为： CPI (改)=(20.25)+(1.330.75)=1.5,=CPI(原)-0.25(CPIFP原-CPIFP改) =2.0-0.25(4-2)=1.5,或,第一章 计算机系统结构的基本概念,方案2：只改进FPSQR指令，使其CPI值提高10倍， 即CPISQR改=2 整个程序改进后的值应为： CPI(改)=CPI(原)-0.02(CPI SQR原

19、-CPI SQR改) =2-0.02(20-2)=1.64,两者比较还是方案1更好些,第一章 计算机系统结构的基本概念,2、MIPS和MFLOPS,IPS:含义是每秒执行的指令条数 。 MIPS:以百万来计量。 MFLOPS:指每秒百万次浮点操作次数。,Te,IFN,Rc,IN,第一章 计算机系统结构的基本概念,3、系统性能测试,采用实际应用程序C语言的编译程序等； 采用核心程序 从实际程序中抽取小量关键的循环程序； 综合测试程序 Whetstone、Dhrystone等程序；,基本测试程序： （采用不同类型的程序进行测试）,第一章 计算机系统结构的基本概念,性能评价结果的处理,三机运行2个程序的测试值及Am值