高級計算機體系結(jié)構(gòu)第1章

1、1高級高級計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)2一、課程目標一、課程目標1.1.并行性理論的研究并行性理論的研究 并行計算機系統(tǒng)模型與體系結(jié)構(gòu)；并行計算機系統(tǒng)模型與體系結(jié)構(gòu)； 并行程序設(shè)計模型與通信模型；并行程序設(shè)計模型與通信模型； 并行計算機性能評測方法；并行計算機性能評測方法； 可擴展性原理及實現(xiàn)方法?？蓴U展性原理及實現(xiàn)方法。2.2.并行技術(shù)和結(jié)構(gòu)的研究并行技術(shù)和結(jié)構(gòu)的研究 微處理器并行技術(shù)；微處理器并行技術(shù)； 互連網(wǎng)絡技術(shù)；互連網(wǎng)絡技術(shù)； 共享存儲技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)；共享存儲技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)； 分布存儲技術(shù)與可擴展體系結(jié)構(gòu)；分布存儲技術(shù)與可擴展體系結(jié)構(gòu)； 通信時延包容技術(shù)。通信時延包容技術(shù)。3二、參考

2、教材二、參考教材1 1、并行計算機體系結(jié)構(gòu)，陳國良等著，高等教育出版社，、并行計算機體系結(jié)構(gòu)，陳國良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04ISBN 7-0411558-111558-1，2002.92002.92 2、并行計算機體系結(jié)構(gòu)，、并行計算機體系結(jié)構(gòu)，David E.CullerDavid E.Culler等著，李曉明等譯，等著，李曉明等譯，機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，ISBN 7-111-07888-8ISBN 7-111-07888-8，2002.102002.103 3、可擴展并行計算、可擴展并行計算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程，黃鎧、徐志偉著，陸黃鎧、徐志偉著，陸

3、鑫達鑫達等譯等譯，機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2000.52000.54 4、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一種定量的方法一種定量的方法( (第第5 5版版) )，John L. John L. HennessyHennessy等著，鄭緯民等譯等著，鄭緯民等譯，清華大學出版社，清華大學出版社，2002.82002.85 5、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( (第二版第二版) )，鄭緯民、湯志忠著鄭緯民、湯志忠著，清華大學出，清華大學出版社版社，1998.91998.94第一章第一章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ) 5第一節(jié)第一節(jié) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 一、一、計算機系統(tǒng)結(jié)

4、構(gòu)概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念 1 1、計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)軟硬件軟硬件交界面交界面L6L6：應用語言級：應用語言級L5L5：高級語言級：高級語言級L4L4：匯編語言級：匯編語言級L3L3：操作系統(tǒng)級：操作系統(tǒng)級L2L2：機器語言級：機器語言級L1L1：微程序機器級：微程序機器級L0L0：電子：電子線路線路 硬件硬件固件固件軟件軟件虛擬機器虛擬機器實際機器實際機器翻譯（應用程序包）翻譯（應用程序包）翻譯（編譯程序）翻譯（編譯程序）翻譯（匯編程序）翻譯（匯編程序）解釋解釋硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行部分解釋部分解釋計算機語言實現(xiàn)技術(shù)計算機語言實現(xiàn)技術(shù)回下頁62 2、計算機系統(tǒng)設(shè)計方法、計

5、算機系統(tǒng)設(shè)計方法(1)(1)由上向下方法由上向下方法 從軟件到硬件，適合專用機的設(shè)計從軟件到硬件，適合專用機的設(shè)計 結(jié)果：結(jié)果：形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié)(2)(2)由下向上方法由下向上方法 從硬件到軟件，適合通用機的設(shè)計從硬件到軟件，適合通用機的設(shè)計 結(jié)果：結(jié)果：形成軟、硬脫節(jié)形成軟、硬脫節(jié)(3)(3)從中間開始方法從中間開始方法 從從軟、硬件交界面軟、硬件交界面開始設(shè)計開始設(shè)計 要求：要求：不斷進行交互、優(yōu)化設(shè)計不斷進行交互、優(yōu)化設(shè)計 需要較好的評價工具和方法需要較好的評價工具和方法轉(zhuǎn)上頁73 3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 * *精確定義：精確定義：機器語言程序員、編譯程序編寫者機器語

6、言程序員、編譯程序編寫者所看到的計所看到的計算機的算機的屬性屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟、硬件功能界面；系統(tǒng)的軟、硬件功能界面； 功能特性功能特性界面的功能分配，即界面的接口或組織界面的功能分配，即界面的接口或組織 * *實質(zhì)：實質(zhì)：研究研究軟硬件軟硬件之間的界面定義之間的界面定義及及其上下的功能分配其上下的功能分配 * *基本定義：基本定義：程序員程序員所看到的計算機的所看到的計算機的屬性屬性 * *研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、指令系統(tǒng)，寄存器組織數(shù)據(jù)表示、尋址方式、指令系統(tǒng)，寄存器組織; ; 存儲系統(tǒng)；存儲系統(tǒng)； 中斷機構(gòu)、

7、中斷機構(gòu)、I/OI/O結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； 機器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護機器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護回下頁8CPUCPU鍵盤接口鍵盤接口鍵盤鍵盤顯卡顯卡顯示器顯示器MEMMEM磁盤接口磁盤接口磁盤磁盤機器語言級機器語言級機器機器輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行輸入設(shè)備觸發(fā)程序執(zhí)行指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)程序員看到程序員看到的屬性的屬性信息保護信息保護機器狀態(tài)機器狀態(tài)存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含內(nèi)容示意圖計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含內(nèi)容示意圖進程管理程序進程管理程序作業(yè)管理程序作業(yè)管理程序文件管理程序文件管理程序存儲管理程序存儲管理程序設(shè)備管理程序設(shè)備管理程序信息保護信息保護操作系統(tǒng)

8、級操作系統(tǒng)級機器機器注：注： 作業(yè)管理作業(yè)管理包含用戶界包含用戶界面面功能功能轉(zhuǎn)上頁9 計算機組成包含內(nèi)容計算機組成包含內(nèi)容數(shù)據(jù)通路寬度、專用部件設(shè)計、數(shù)據(jù)通路寬度、專用部件設(shè)計、各種各種OSOS共享程度、功能部件并行度、控制機構(gòu)組成方式、排隊共享程度、功能部件并行度、控制機構(gòu)組成方式、排隊與緩沖技術(shù)、預估與預判技術(shù)、可靠性技術(shù)等與緩沖技術(shù)、預估與預判技術(shù)、可靠性技術(shù)等 * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成、物理實現(xiàn)三者關(guān)系：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成、物理實現(xiàn)三者關(guān)系： 1 1 : n: n 1 1 : : m m 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機組成計算機組成 物理實現(xiàn)物理實現(xiàn) * *計算機組成：計算機組成： 定

9、義定義計算機系統(tǒng)設(shè)計人員計算機系統(tǒng)設(shè)計人員看到的基本屬性看到的基本屬性 實質(zhì)實質(zhì)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)邏輯實現(xiàn)104 4、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟(1)(1)需求分析需求分析 在應用環(huán)境、所用語言種類及特性、對在應用環(huán)境、所用語言種類及特性、對OSOS的特殊要求、所的特殊要求、所用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟指標、市場分析等方面進行分析用外設(shè)特性、技術(shù)經(jīng)濟指標、市場分析等方面進行分析(2)(2)需求說明需求說明 形成形成、功能說明、器件性能說明、功能說明、器件性能說明等需求等需求(3)(3)概念性設(shè)計概念性設(shè)計 進行軟、硬件功能分析，確定機器級界面進行軟、硬件功能分析，確

10、定機器級界面(4)(4)具體設(shè)計具體設(shè)計 機器級界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案機器級界面各方面的確切定義，可考慮幾種方案(5)(5)反復進行評價及優(yōu)化設(shè)計反復進行評價及優(yōu)化設(shè)計115 5、并行并行體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) * *并行計算機并行計算機：是是一組相互通信、相互一組相互通信、相互協(xié)作的處理單元，協(xié)作的處理單元， 用以快速求解大型問題用以快速求解大型問題總線或互連網(wǎng)絡總線或互連網(wǎng)絡SMSMSMLMMBNICP/CLMMBNICP/C互連網(wǎng)絡互連網(wǎng)絡LMMBNICBridgeP/CIOBNICLMMBNICBridgeP/CIOBNIC12 * *并行并行體系結(jié)構(gòu)：體系結(jié)構(gòu)： 由宏體系結(jié)構(gòu)

11、、微體系結(jié)構(gòu)兩部分組成由宏體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)兩部分組成 微體系結(jié)構(gòu)微體系結(jié)構(gòu)節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu), ,主要為處理器主要為處理器及其殼的及其殼的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 宏體系結(jié)構(gòu)宏體系結(jié)構(gòu)并行計算機的并行計算機的整體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點間互連、包括節(jié)點間互連、通信、存儲器訪問等方面通信、存儲器訪問等方面 * *并行并行體系結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容：體系結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容： 互互 連連結(jié)構(gòu)模型、互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型、互連網(wǎng)絡 存儲器存儲器訪存模型、訪存模型、一致性模型一致性模型(Cache/(Cache/存儲存儲) ) 交交 互互編程模型、編程模型、通信機構(gòu)、同步機構(gòu)通信機構(gòu)、同步機構(gòu)13二、二、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類計算機系

12、統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類1 1、FlynnFlynn分類法分類法 * *分類原理：分類原理：按按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類進行分類 * *結(jié)構(gòu)種類：結(jié)構(gòu)種類：SISDSISD，SIMDSIMD，MISDMISD，MIMDMIMDSISDCUMMISISPUDSSIMDCUMMmDS1ISISMM1PUnDSnPU1MISDDSIS1IS1ISnDSISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1MIMDDS1IS1IS1ISnDSnISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1 * *缺點：缺點：對流水線處理機的分類不明確對流水線處理機的分類不明確142 2、HandlerHandler分類

13、法分類法 * *分類原理：分類原理：在三個在三個層次，層次，按并行程度及按并行程度及流水處理流水處理程度分類程度分類 層次層次 PCUPCU（程序控制部件或（程序控制部件或宏流水宏流水） K K級級 ALUALU（算術(shù)邏輯部件（算術(shù)邏輯部件或指令流水或指令流水） D D級級 ELCELC（基本邏輯線路或（基本邏輯線路或操作流水操作流水） W W級級 * *特點：特點：對并行及流水線的程度有清晰的描述對并行及流水線的程度有清晰的描述 注：注：流水屬并行的一種類型，但有所不同；流水屬并行的一種類型，但有所不同； 并行程度越好，性能越高并行程度越好，性能越高153 3、馮氏馮氏分類法分類法 * *分

14、類原理：分類原理：按照系統(tǒng)的最大并行程度進行分類按照系統(tǒng)的最大并行程度進行分類 * *最大并行度：最大并行度：單位時間內(nèi)能處理的最大二進制位數(shù)單位時間內(nèi)能處理的最大二進制位數(shù) 即即 P Pm m= =位片寬位片寬字寬字寬位片寬位片寬字寬字寬SISDSIMD（MPP）SIMDMIMD1mn1mn16一、一、影響影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展因素計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展因素1 1、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)發(fā)展的影響 * *影響因素：影響因素：軟件可移植性軟件可移植性(1)(1)系列機系列機 * *思想：思想：具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組成或?qū)崿F(xiàn)具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或擴充原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組成或?qū)崿F(xiàn)

15、技術(shù)不同，來實現(xiàn)軟件可移植性技術(shù)不同，來實現(xiàn)軟件可移植性 * *影響一影響一：新新的組成與實現(xiàn)技術(shù)很快得到應用，大量兼容產(chǎn)的組成與實現(xiàn)技術(shù)很快得到應用，大量兼容產(chǎn)品的出現(xiàn)，品的出現(xiàn)，推動推動了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 系列機要求系列機要求保證向后兼容，保證向后兼容， 力爭向上兼容力爭向上兼容時間時間機器檔次機器檔次當前機器當前機器向上兼容向上兼容向下兼容向下兼容高高低低向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 * *影響二影響二：要求要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，變，限制限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展回下頁第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的發(fā)展發(fā)展 172 2、應用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影

16、響、應用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 * *應用背景：應用背景：應用領(lǐng)域、功能及性能要求有所不同應用領(lǐng)域、功能及性能要求有所不同 * *應用需求：應用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路： 分成不同級別的系統(tǒng)，以提高性能分成不同級別的系統(tǒng)，以提高性能/ /價格價格 巨、大型機巨、大型機研究專用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成研究專用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)技術(shù) 其它型機其它型機研究通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( (吸納先進結(jié)構(gòu)與技術(shù)吸納先進結(jié)構(gòu)與技術(shù)) ) * *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢： 保持價格基本不變，提高保持價格基本不變，提高性能性能 保持性能基本

17、不變，降低價格保持性能基本不變，降低價格價格價格時間時間等性能線等性能線巨型機巨型機大型機大型機中、小型機中、小型機微型機微型機18二、并行性的發(fā)展二、并行性的發(fā)展 并行性并行性包括包括同時性同時性( (時刻時刻) )、并發(fā)、并發(fā)性性( (時段時段) ) * *開發(fā)方法：開發(fā)方法： 時間重疊、資源重復、資源共享時間重疊、資源重復、資源共享 * *并行性等級劃分：并行性等級劃分： 執(zhí)行程序角度執(zhí)行程序角度 處理數(shù)據(jù)角度處理數(shù)據(jù)角度 信息加工步驟信息加工步驟 操作級操作級 位串字串位串字串 存儲器操作并行存儲器操作并行 指令級指令級 位并字串位并字串 處理器操作步驟并行處理器操作步驟并行 任務或過

18、程級任務或過程級 位串字并位串字并 處理器操作并行處理器操作并行 作業(yè)或程序級作業(yè)或程序級 全并行全并行 任務或作業(yè)并行任務或作業(yè)并行1 1、并行性開發(fā)、并行性開發(fā)192 2、并行性發(fā)展、并行性發(fā)展標量標量順序的順序的先行控制先行控制I/EI/E重疊重疊功能并行功能并行多個功能部件多個功能部件流水線流水線隱式向量隱式向量顯式向量顯式向量存儲器存儲器- -存儲器存儲器寄存器寄存器- -寄存器寄存器SIMDSIMDMIMDMIMD聯(lián)想處理機聯(lián)想處理機處理機陣列處理機陣列多計算機多計算機多處理機多處理機計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹空間并行空間并行時間并行時間并行20第一節(jié)第一節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計的定量原

19、理系統(tǒng)設(shè)計的定量原理 一、大概率事件優(yōu)先原則一、大概率事件優(yōu)先原則 * *基本思想：基本思想：對大概率事件賦予優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)對大概率事件賦予優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán), ,以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果 該原則是系統(tǒng)設(shè)計中該原則是系統(tǒng)設(shè)計中最重要最重要和和最常用最常用的原則的原則 * *應用舉例：應用舉例： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令操作碼采用霍夫曼編碼；指令操作碼采用霍夫曼編碼； 溢出處理溢出處理優(yōu)化不溢出情況的處理；優(yōu)化不溢出情況的處理； 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)使高頻使用數(shù)據(jù)存取速度更快，層次結(jié)構(gòu)使高頻使用數(shù)據(jù)存取速度更快， 虛擬存儲器的虛擬存儲器的TLBTLB用高速芯片組成

20、用高速芯片組成21二、二、AmdahlAmdahl定律定律 * *基本思想：基本思想：優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例erefeefTTpS)1(10 * *應用：應用：使用該定律可改善使用該定律可改善“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸”性能性能 * *舉例：舉例：某功能處理時間占系統(tǒng)時間的某功能處理時間占系統(tǒng)時間的40%40%，將其處理速度加，將其處理速度加快快1010倍后，整個系統(tǒng)性能提高多少？倍后，整個系統(tǒng)性能提高多少？ 解解已知已知f fe e=0.4=0.4，r

21、 re e=10=10，利，利用用AmdahlAmdahl定律，則定律，則 S Sp p=1.56=1.560.00.51.0feSp1015 r re e=10=10時時S Sp p和和f fe e的關(guān)系如右圖：的關(guān)系如右圖： 方法方法若改善某部件性能后，系統(tǒng)性能急劇提高，若改善某部件性能后，系統(tǒng)性能急劇提高， 則該部件為則該部件為“系統(tǒng)瓶頸系統(tǒng)瓶頸”22三、程序訪問的局部性原理三、程序訪問的局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序執(zhí)行時，呈現(xiàn)出頻繁重復使用那些程序執(zhí)行時，呈現(xiàn)出頻繁重復使用那些“簇聚簇聚”的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律，包含時間局部性和空間局部性時間局部性和空

22、間局部性 時間局部性時間局部性- 近期被訪問的信息，可能馬上被訪問近期被訪問的信息，可能馬上被訪問 空間局部性空間局部性- 與被訪問地址相鄰的信息可能會一起被訪問與被訪問地址相鄰的信息可能會一起被訪問 * *應用：應用：層次存儲體系設(shè)計層次存儲體系設(shè)計23四、軟硬件取舍原則四、軟硬件取舍原則1 1、現(xiàn)有軟硬件條件下，所選現(xiàn)有軟硬件條件下，所選方法應有助于方法應有助于提高系統(tǒng)的性能提高系統(tǒng)的性能/ /價格價格 例：例：2 2、所選、所選方法應盡量方法應盡量不限制計算機組成和實現(xiàn)技術(shù)不限制計算機組成和實現(xiàn)技術(shù) 例：例：數(shù)據(jù)表示設(shè)計不應限制數(shù)據(jù)寬度與之一一對應；數(shù)據(jù)表示設(shè)計不應限制數(shù)據(jù)寬度與之一一對

23、應； 主存容量設(shè)計不應限制是否采用多體交叉存儲器等主存容量設(shè)計不應限制是否采用多體交叉存儲器等3 3、所選、所選方法應能夠方法應能夠?qū)幾g程序和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)提供好的支持對編譯程序和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)提供好的支持 例：例：指令系統(tǒng)中增加指令系統(tǒng)中增加OSOS所需指令；所需指令； 根據(jù)編譯要求設(shè)置一定數(shù)量通用寄存器等根據(jù)編譯要求設(shè)置一定數(shù)量通用寄存器等研制費用研制費用生產(chǎn)費用生產(chǎn)費用產(chǎn)品費用產(chǎn)品費用硬件方法硬件方法D Dh hM Mh hD Dh h/V+M/V+Mh h軟件方法軟件方法C CD Ds sR RM Ms sC CD Ds s/V+R/V+RM Ms s說明：說明：VV設(shè)備數(shù)量，設(shè)備數(shù)

24、量，CC重復設(shè)計次數(shù)，重復設(shè)計次數(shù)，RR復制次數(shù)復制次數(shù)24第二節(jié)第二節(jié) 計算機系統(tǒng)性能評價計算機系統(tǒng)性能評價 一、計算機系統(tǒng)性能一、計算機系統(tǒng)性能 * *計算機性能：計算機性能：正確性、可靠性和工作能力正確性、可靠性和工作能力 響應時間響應時間指任務從輸入到結(jié)果輸出的所有時間，指任務從輸入到結(jié)果輸出的所有時間， 反映反映CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)及系統(tǒng)及OSOS等的總體性能；等的總體性能； 正確性：正確性：與數(shù)學計算結(jié)果比較，通常認為是正確的與數(shù)學計算結(jié)果比較，通常認為是正確的 可靠性：可靠性：用平均無故障時間表示，通常認為是可靠的用平均無故障時間表示，通常認為是可靠的 工作能力：工作能

25、力：即系統(tǒng)的速度，通常用程序執(zhí)行時間表示；即系統(tǒng)的速度，通常用程序執(zhí)行時間表示； 可分為峰值性能和持續(xù)性能可分為峰值性能和持續(xù)性能 吞吐率吞吐率指單位時間內(nèi)能處理的作業(yè)或任務數(shù)量，指單位時間內(nèi)能處理的作業(yè)或任務數(shù)量， 反映系統(tǒng)的多任務處理性能反映系統(tǒng)的多任務處理性能251 1、響應時間、響應時間 響應時間指一個任務從輸入到輸出的總時間響應時間指一個任務從輸入到輸出的總時間 T T響應響應T TCPUCPUT T系統(tǒng)系統(tǒng)CPUCPUT T用戶用戶CPUCPUI IN NCPICPIT TC C CPI CPI包含包含ALUALU、訪問、訪問MEMMEM及及I/OI/O的時間的時間( (含等待時間

26、含等待時間) )性能因子性能因子系統(tǒng)屬性系統(tǒng)屬性I IN Np pm mk kT TC C指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編譯技術(shù)編譯技術(shù)PEPE實現(xiàn)與控制技術(shù)實現(xiàn)與控制技術(shù)CacheCache和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu) * *特點：特點：能夠反映軟硬件系統(tǒng)的能夠反映軟硬件系統(tǒng)的總體性能總體性能，但不易測量，但不易測量 * *影響影響T TCPUCPU的的因素：因素： T TCPU CPU I IN NCPICPIT TC CI IN N(p(pm mk)k)T TC C 其中其中 pp處理周期數(shù)處理周期數(shù)/ /指令，指令，mm訪存次數(shù)訪存次數(shù)/ /指令，指令，kk訪存時延訪存時延262 2、吞吐率

27、、吞吐率 * *定義：定義：指單位時間內(nèi)能夠處理作業(yè)指單位時間內(nèi)能夠處理作業(yè)( (或任務或任務) )的數(shù)量的數(shù)量 吞吐率吞吐率 = n nn n個任務總時間個任務總時間 * *常用標準：常用標準：對作業(yè)對作業(yè)( (或任務或任務) )的定義無法統(tǒng)一的定義無法統(tǒng)一 MIPS( MIPS(每秒百萬次指令每秒百萬次指令)-)-66C610CPI10TCPI110MIPS時鐘頻率程序執(zhí)行時間程序中指令條數(shù) MIPSMIPS不能反映指令功能強弱，常用相對不能反映指令功能強弱，常用相對MIPSMIPS表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百萬次浮點運算每秒百萬次浮點運算)610MFLOPS程序執(zhí)行時間

28、程序中浮點操作次數(shù) 不同操作不同操作通過正則化方法實現(xiàn)通過正則化方法實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)， MFLOPSMFLOPS只能反映浮點操作能力只能反映浮點操作能力273 3、利用率、利用率 * *定義：定義：利用率持續(xù)性能利用率持續(xù)性能峰值性能峰值性能 * *特點：特點：不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標有密切關(guān)系；不直接表示系統(tǒng)性能，與前兩種指標有密切關(guān)系； 對系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進起著至關(guān)重要的作用！對系統(tǒng)性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進起著至關(guān)重要的作用！ * *提高吞吐率方法：提高吞吐率方法： 流水化流水化-使多個作業(yè)流水處理；使多個作業(yè)流水處理； 并行處理并行處理-給每個給每個PEPE分配分配多個作業(yè)，各多個作

29、業(yè)，各PEPE相互相互協(xié)調(diào)協(xié)調(diào) * *特點：特點：吞吐率與吞吐率與I/OI/O軟硬件組織方式及軟硬件組織方式及OSOS有很大關(guān)系；有很大關(guān)系； 能夠反映能夠反映軟硬件系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)對對多任務多任務的響應能力的響應能力284 4、系統(tǒng)可擴放性、系統(tǒng)可擴放性 常用于評價多機系統(tǒng)的并行處理能力常用于評價多機系統(tǒng)的并行處理能力),(),()1 ,(),(nphnpTpTnpS 其中其中 p-問題規(guī)模，問題規(guī)模，n-處理器數(shù)量，處理器數(shù)量，h-通信時間通信時間 衡量方法衡量方法-測量不同測量不同n時的加速比，時的加速比， 得到性能可擴放性曲線得到性能可擴放性曲線 * *性能加速比：性能加速比：多機系統(tǒng)相

30、對于單機系統(tǒng)性能提高的比例多機系統(tǒng)相對于單機系統(tǒng)性能提高的比例 * *系統(tǒng)可擴放性：系統(tǒng)可擴放性：系統(tǒng)性能隨處理機數(shù)系統(tǒng)性能隨處理機數(shù)n增加而增長的比例增加而增長的比例 =fS(n) 影響因素影響因素結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問題規(guī)模、存儲系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)、處理器數(shù)、問題規(guī)模、存儲系統(tǒng)等S Sn n1 1B B系統(tǒng)系統(tǒng)A A系統(tǒng)系統(tǒng)29二、性能評價與比較二、性能評價與比較1 1、評價技術(shù)、評價技術(shù)(1)(1)分析技術(shù)分析技術(shù) * *思路：思路：在一定假設(shè)條件下，計算機系統(tǒng)參數(shù)與在一定假設(shè)條件下，計算機系統(tǒng)參數(shù)與性能指標間性能指標間存在著某種函數(shù)關(guān)系，按其工作負載的驅(qū)動條件列出方程，用存在著某種函數(shù)關(guān)系，按其工

31、作負載的驅(qū)動條件列出方程，用數(shù)學方法求解后評價數(shù)學方法求解后評價 * *發(fā)展：發(fā)展：從脫離實際的假設(shè)發(fā)展到近似求解從脫離實際的假設(shè)發(fā)展到近似求解 近似求解算法近似求解算法聚合法、均值分析法、擴散法等聚合法、均值分析法、擴散法等 * *應用：應用：可應用于可應用于設(shè)計中系統(tǒng)設(shè)計中系統(tǒng)的分析與評價的分析與評價回下頁 例例A A機執(zhí)行的程序中有機執(zhí)行的程序中有20%20%轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令( (需需2T2TC C) )，轉(zhuǎn)移指令都需，轉(zhuǎn)移指令都需要一條比較指令要一條比較指令( (需需1T1TC C) )配合，其他指令均為配合，其他指令均為1T1TC C。B B機中機中轉(zhuǎn)移指轉(zhuǎn)移指令包含令包含比較比較指

32、令功能，指令功能，但但T TC C比比A A機慢機慢15%15%。執(zhí)行。執(zhí)行該程序時該程序時，A A機、機、B B機哪個機哪個工作速度快？工作速度快？30(2)(2)模擬技術(shù)模擬技術(shù) * *思路：思路：建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型和工作負載模型，建立模擬器，模擬系統(tǒng)性能模型和工作負載模型，對運行后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和評價對運行后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和評價 * *方法：方法： 按被評價系統(tǒng)的運行特性建立按被評價系統(tǒng)的運行特性建立系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型； 按系統(tǒng)可能有的工作負載特性建立按系統(tǒng)可能有的工作負載特性建立工作負載模型工作負載模型； 用語言編寫模擬程序，用語言編寫模擬程序，模仿模仿被評價系統(tǒng)的

33、被評價系統(tǒng)的運行運行； 設(shè)計模擬實驗，依照評價目標，選擇與目標有關(guān)因素，設(shè)計模擬實驗，依照評價目標，選擇與目標有關(guān)因素，得出實驗值，再得出實驗值，再進行統(tǒng)計、分析進行統(tǒng)計、分析 * *應用：應用：可應用于可應用于設(shè)計中或?qū)嶋H應用中系統(tǒng)設(shè)計中或?qū)嶋H應用中系統(tǒng)的分析與評價；的分析與評價； 可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個混合系統(tǒng)可與分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一個混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)上頁31(3)(3)測量技術(shù)測量技術(shù) * *思路：思路：通常采用基準測試程序?qū)ο到y(tǒng)進行實際性能評價通常采用基準測試程序?qū)ο到y(tǒng)進行實際性能評價 * *基準測試程序：基準測試程序： 有實際應用程序、核心程序、合成測試程序三個層次有實際應用程序、

34、核心程序、合成測試程序三個層次 第一個層次第一個層次用于測試系統(tǒng)總體性能；用于測試系統(tǒng)總體性能； 后兩個層次后兩個層次-用于測試部件用于測試部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系統(tǒng)等系統(tǒng)等) )性能性能 基準測試程序基準測試程序具有三個層次的具有三個層次的測試程序組測試程序組，典型的有，典型的有SPECSPEC程序組程序組，包含測試，包含測試多多個領(lǐng)域個領(lǐng)域、三個層次的測試程序、三個層次的測試程序 * *應用：應用：只能應用于只能應用于實際使用中系統(tǒng)實際使用中系統(tǒng)的分析與評價；的分析與評價； 通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求通常根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求( (應用領(lǐng)域應用領(lǐng)域) )選擇基準測試選擇基準測試程序組中的程序組中的部分測試程序部分測試程序進行測量進行測量322 2、比較技術(shù)比較技術(shù) * *目的：目的：根據(jù)根據(jù)多種測試多種測試結(jié)果結(jié)果，比較，比較不同系統(tǒng)的優(yōu)劣不同系統(tǒng)的優(yōu)劣 * *方法：方法：算術(shù)平均、幾何平均、調(diào)和平均方法算術(shù)平均、幾何平均、調(diào)和平均方法(1)(1)算術(shù)平均方法算術(shù)平均方法niTnniinmiRA11111基準測基準測試程序試程序處理機處理機XYZB120(1.00) 10