計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計技術(shù)

1、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）清華大學(xué)計算機(jī)系列教材 鄭緯民 湯志忠 編著課程介紹9/12/20222計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1. 課程名稱 Computer Architecture 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計或式樣, 通常指一個系統(tǒng)的外貌2. 研究內(nèi)容 從外部來研究計算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運行的程序所必須了解到的計算機(jī)屬性9/12/20223計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系3. 學(xué)習(xí)目的建立計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法了解計算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果4. 學(xué)科方向一級學(xué)科 1 個：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)二級學(xué)科 3 個：計算機(jī)

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)軟件及理論、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)全國重點學(xué)科：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)9/12/20224計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹5. 與其他學(xué)科的交叉學(xué)科交叉：計算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時期 軟件-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-實現(xiàn)技術(shù), 兩頭發(fā)展快中間慢 非馮計算機(jī)正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時期已經(jīng)到來9/12/20225計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹6. 課程安排課內(nèi)：60學(xué)時，課內(nèi)外比例：課內(nèi)1：課外1除完成作業(yè)之外，還要多看參考書 多看好論文(被 SC

3、I、EI 收錄)，了解國內(nèi)外最新研究成果7. 教材和參考書教材：清華大學(xué)計算機(jī)系列教材：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第二版) ，清華大學(xué)出版社9/12/20226計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹參考書：(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版,第三版即將出版），清華大學(xué)出版社 (2)Kai Hwang，Advanced Computer

4、 Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴(kuò)展性 可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社9/12/20227計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹1.1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)1.4 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.5 計算機(jī)系統(tǒng)的分類第1章 基本概念9/12/20228計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.2 如何認(rèn)識計算機(jī)系統(tǒng)1.1.3 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1.1.4 計算機(jī)組成技術(shù)1.1.5

5、 計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù)9/12/20229計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 提高處理機(jī)運算速度：MIPSFz IPC 其中: Fz為處理機(jī)的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)提高IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過去，幾個或幾十個周期完成一條指令 現(xiàn)在，一個周期完成幾條指令提高Fz：縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步 流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從指令串行執(zhí)行，到P4的20級流水線9/12/202210計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念9/12/202211計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 計算機(jī)性能提高的幾個

6、階段20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計算機(jī)性能每年提高25%30%。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性能每年提高35%20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級語言和操作系統(tǒng)等，性能每年提高50%1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的5倍。3. 近幾年及將來，計算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。4. 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計者們要不斷創(chuàng)新。9/12/202212計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1.2 如何認(rèn)識計算機(jī)系統(tǒng)1. 虛擬計算機(jī)定義：從不同角度所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。主要觀察角度包括： 應(yīng)用程序員 系統(tǒng)程序員 硬件設(shè)計人員對計算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識通常

7、只需要在某一個層次上9/12/202213計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念虛擬計算機(jī)系統(tǒng)9/12/202214計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)可分為7個層次 第3級至第6級由軟件實現(xiàn),稱為虛擬機(jī)從學(xué)科領(lǐng)域來劃分： 第0級和第1級屬于計算機(jī)組成原理 第2級屬于計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第3至第5級屬于系統(tǒng)軟件 第6級屬于應(yīng)用軟件它們之間有交叉 例如：第3級必須依賴第4級和第5級來實現(xiàn)9/12/202215計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)9/12/202216計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念179/12/202218計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3.

8、 透明性概念定義：本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在例如：CPU類型、型號、主存儲器容量等 對應(yīng)用程序員 透明 對系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計人員等 不透明例如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對高級語言程序員、應(yīng)用程序員 透明 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員 不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員 透明 對硬件設(shè)計人員、計算機(jī)維修人員 不透明9/12/202219計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1.3 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一 Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機(jī)時提出：程序員所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性, 即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性程序員：

9、系統(tǒng)程序員（包括：匯編語言、機(jī)器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）看到的：編寫出能在機(jī)器上正確運行的程序所必須了解到的9/12/202220計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念概念性結(jié)構(gòu) IBM360系列計算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)9/12/202221計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型； 尋址技術(shù)：編址方式、尋址方式和定位方式等； 寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存 器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)：操作類型、格式，指令間的排序控制等； 中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等； 存儲系統(tǒng)：尋址空間、虛擬存儲器、Cache存儲器等； 處理

10、機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等； 輸入輸出系統(tǒng)：數(shù)據(jù)交換方式、交換過程的控制等； 信息保護(hù)：信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式9/12/202222計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二 研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。不同的組成只是性能和價格不同, 他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。系列計算機(jī)概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu),不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機(jī)系統(tǒng)。9/12/202223計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1.4 計算機(jī)組成技術(shù)1

11、.課程名稱 Computer Organization 計算機(jī)組成，計算機(jī)組織，計算機(jī)原理，計算機(jī)組成原理2.研究方法 從內(nèi)部研究計算機(jī)系統(tǒng) 計算機(jī)組成是指計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。9/12/202224計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3.主要研究內(nèi)容 確定數(shù)據(jù)通路的寬度； 確定各種操作對功能部件的共享程度； 確定專用的功能部件； 確定功能部件的并行度； 設(shè)計緩沖和排隊策略； 設(shè)計控制機(jī)構(gòu)； 確定采用何種可靠性技術(shù)。9/12/202225計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.1.5 計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù)計算機(jī)實現(xiàn)是指計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)主要包括： 處理機(jī)、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)； 器件的集成度和速度

12、； 專用器件的設(shè)計； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號傳輸技術(shù)； 電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。9/12/202226計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.2.1 運算速度1.2.2 存儲器系統(tǒng)1.2.3 其他性能1.2.4 價格標(biāo)準(zhǔn)1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)9/12/202227計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.2.1 運算速度 運算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。 有多種表示處理機(jī)運算速度的方法。 哪一種表示方法合理？1. 時鐘頻率（處理機(jī)主頻） 只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機(jī) 如：Pentium4

13、2.0G比Pentium4 1.6G快25%? Pentium4 2.4G比Pentium4 1.6G快50%? 只表示CPU的指令處理能力 實際運算速度還與Cache、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。9/12/202228計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2.指令執(zhí)行速度 一種經(jīng)典的表示運算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中: Fz為處理機(jī)的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為 每條指令所需的平均時鐘周期數(shù) IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)

14、行的指令條數(shù)例1：計算 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。9/12/202229計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 解：由于 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的 IPC4（或CPI0.25）, Fz2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2GFzIPC20004 8000MIPS8GIPS 即每秒鐘80億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令) 主要優(yōu)點：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用 主要缺點: (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大 (2) 指令使用頻度差別很大 (3) 有相當(dāng)多的非功能性指令9/12/202230計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 等效指令速度： 吉普森（G

15、ibson）法：加減法50，乘法15，除法5，程序控制15，其他15 靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計 動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計9/12/202231計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念例2：我國早期研制的一種小型計算機(jī)DJS-130 定點16位，加法指令每秒50萬次，但沒有 硬件乘除法指令。用軟件實現(xiàn)乘除法，速 度低100倍左右。求等效指令速度。解：等效指令速度為： 即每秒2萬次， 由于用軟件實現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了25倍。 9/12/202232計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念例3：假設(shè)在一般程序中浮點開平方操作FPSQR所占 的比例為2，它的CPI為100；其他浮點操作

16、 FP所占的比例為23，它的CPI4.0；其余 75指令的CPI1.33，計算該處理機(jī)的等效 CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0，重新計算 等效CPI。解：等效CPI110024231.33753.92等效CPI24251.33752.00 改進(jìn)了在用戶程序中僅占2的開平方操作，整個機(jī)器的等效運算速度提高了近一倍。9/12/202233計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念4. 指令執(zhí)行速度的 4 種平均方法 算術(shù)平均： 調(diào)和平均(用速率來度量)： 加權(quán)平均加權(quán)算術(shù)平均：加權(quán)調(diào)和平均：9/12/202234計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念幾何平均： 其中：n 指不同的程序，ETR(exec

17、ution time ratio) i是第i個程序相對于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時間 幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān)，有如下性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值9/12/202235計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念運行程序P1時，A的速度是B的10倍；運行程序P2時，B的速度是A的10倍；運行程序P1時，A的速度是C的20倍；運行程序P2時，C的速度是A的50倍；運行程序P1時，B的速度是C的2倍；運行程序P2時，C的速度是B的5倍。9/12/202236計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念算術(shù)平均： 程序P1和P2各執(zhí)行1次，B的速度是A的9.1倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是A

18、的25倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是B的2.75倍。 結(jié)論： 執(zhí)行程序P1和P2相同次數(shù)， 機(jī)器A最慢，機(jī)器C最快 算術(shù)平均速度：三臺機(jī)器的速度之比為： A：B：C = 1：9.1：25 9/12/202237計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念加權(quán)算術(shù)平均 加權(quán)算術(shù)平均W1三臺機(jī)器的速度：A B C加權(quán)算術(shù)平均W2三臺機(jī)器的速度：A C B加權(quán)算術(shù)平均W3三臺機(jī)器的速度：C B Ds，Ch Cs，當(dāng)R很大時，經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實現(xiàn) 由于：Ds Cs，當(dāng)V很大時，生產(chǎn)臺數(shù)很多時適宜用硬件實現(xiàn)9/12/202268計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍

19、基本方法：加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用更快的執(zhí)行方式后，整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。 在Amdahl定律中，加速比與兩個因素有關(guān)：9/12/202269計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 改進(jìn)后整個任務(wù)的執(zhí)行時間為： 其中：0為改進(jìn)前的整個任務(wù)的執(zhí)行時間。 改進(jìn)后整個系統(tǒng)的加速比達(dá)到： 其中：Fe表示可改進(jìn)部分所占的百分比， (1-Fe)表示不可改進(jìn)部分所占的百分比， Se表示改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的加速比。9/12/202270計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念例5：某部件的處理時間僅為整個運行時間的 40%，如果將該部件的

20、處理速度加快到10 倍，則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的 性能提高多少？解：由題意可知：Fe=0.4, Se=10， 根據(jù)Amdahl定律，加速比為：9/12/202271計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念4. 改進(jìn)性能的主要途徑 (1) 面向目標(biāo)代碼改進(jìn) 方法：用一條指令代替一串指令 根據(jù)計算結(jié)果改進(jìn)：例如，增加硬件乘法和硬件除法指令能夠,使等效指令速度提高25倍， 據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)改進(jìn)指令功能： 如數(shù)據(jù)傳送指令、快速保存與恢復(fù)現(xiàn)場指令等 增加運算型指令的功能：如函數(shù)運算指令等9/12/202272計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(2) 面向高級語言和編譯程序改進(jìn)： 方法：增強(qiáng)對高級語言和編譯程序支持

21、的指令的功能 例如：在do循環(huán)中，循環(huán)體只 有一二條的占60%左右，增加 循環(huán)控制指令。 例如：條件碼對高級語言幾乎 無用，在并行計算機(jī)中已經(jīng)取 消條件碼。 Im1循環(huán)體II+m3Im29/12/202273計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(3) 面向操作系統(tǒng)改進(jìn)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要規(guī)整，消除例外情況。 寄存器定義要統(tǒng)一(如 A 寄存器等) 操作要均勻(如 A-B 與 B-A) 所有的存儲部件都要對稱 進(jìn)程的管理和切換 存儲管理和信息保護(hù) 進(jìn)程的同步與互斥，信號燈管理 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的轉(zhuǎn)換 這類指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置9/12/202274計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.

22、3.3 軟件兼容性設(shè)計方法 原因：軟件相對于硬件的成本越來越貴， 已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1. 兼容種類 (1)向后兼容：在某一時間生產(chǎn)的機(jī)器上運行的目標(biāo) 軟件能夠直接運行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。 (2)向前兼容： (3)向上兼容：在低檔機(jī)器上運行的目標(biāo)軟件能夠直 接運行于高檔機(jī)器上。 (4)向下兼容： 向后兼容必須做到，向上兼容盡量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考慮9/12/202275計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法一：系列機(jī)方法 系列機(jī)定義: 具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但組成和實現(xiàn)技術(shù)不同的一系列計算機(jī)系統(tǒng) 實現(xiàn)方法： 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的性能和不同的器件，研

23、制出多種性能和價格不同的計算機(jī)系統(tǒng)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成也可以有多種物理實現(xiàn) 如IBM370系列機(jī): 115,125,135,145,158,168等9/12/202276計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式相同的32位字長，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。如PC系列機(jī)有： 不同主頻：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz, 3GHz, 不同擴(kuò)展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2 不同Cache：Pentium、Celero

24、n、Xeon 不同字長：8位、16位、32位、64位9/12/202277計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 采用系列機(jī)方法的主要優(yōu)點： (1) 系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好 (2) 插件、接口等相互兼容 (3) 便于實現(xiàn)機(jī)間通信 (4) 便于維修、培訓(xùn) (5) 有利于提高產(chǎn)量、降低成本 采用系列機(jī)方法的主要缺點： 限制了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 如PC系列機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常落后，使用也最普及9/12/202278計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法二：模擬與仿真 Simulation Emulation定義：在一臺現(xiàn)有的計算機(jī)上實現(xiàn)另一臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。全部用軟件實現(xiàn)的叫模擬，用軟件、硬件、固

25、件混合實現(xiàn)的叫仿真模擬的實現(xiàn)方法 在A計算機(jī)上通過解釋或編譯實現(xiàn)B計算機(jī)的指令系統(tǒng)。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。仿真的實現(xiàn)方法 直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行B機(jī)器的指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。9/12/202279計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念優(yōu)缺點比較 模擬方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于用仿真方法實現(xiàn) 除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺的操作等模擬方法用于計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計過程 在一臺已有的機(jī)器上用模擬方法實現(xiàn)正在設(shè)計中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。具體過程如下：設(shè)計方案模擬性能評價修改設(shè)計投

26、產(chǎn) 9/12/202280計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法三：統(tǒng)一高級語言 實現(xiàn)方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級語言編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 困難：至今還沒有這樣一種高級語言，短期內(nèi)很難實現(xiàn)。C、Ada、Java、 三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級語言最好，是努力的目標(biāo) 系列機(jī)是暫時性方法，也是目前最好的方法 仿真的速度低，芯片設(shè)計的負(fù)擔(dān)重，目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/101/2的芯片面積用于仿真9/12/202281計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法四：目標(biāo)代碼的并行編譯技術(shù) 一個新的研究課題 一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器的并行目標(biāo)代碼 兩種方法： (1) 動態(tài)代碼

27、轉(zhuǎn)換 例1：IBM公司研制 DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown) 處理機(jī) 例2：Transmeta公司研制Crusoe處理機(jī) 已經(jīng)大量應(yīng)用于筆記本計算機(jī)，其功耗很低。 (2) 靜態(tài)重編譯：正在研究過程中，難度很大9/12/202282計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)采用動態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)與X86等處理機(jī)兼容，把X86等通用處理機(jī)的程序直接映射到VLIW處理機(jī)中執(zhí)行。IBM公司推出了開放源代碼DAISY，它不僅可以實現(xiàn)IBM的VLIW處理器與X86處理機(jī)之間的二進(jìn)制兼容，還可以實現(xiàn)PowerP

28、C、S/390、IBM的Java虛擬機(jī)與VLIW處理器之間的二進(jìn)制兼容Transmeta公司推出了“Code Morphing Software”，這種軟件可以保證Transmeta公司的VLIW處理機(jī)Crusoe能夠與X86處理機(jī)之間實現(xiàn)二進(jìn)制代碼兼容9/12/202283計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.3.4 計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計過程方法1：由上向下（Top-Down）設(shè)計過程：由上向下 面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的高級語言面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級語言的機(jī)器語言面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)應(yīng)用場合：專用計算機(jī)的設(shè)計特點：對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能和性能價格比很高。隨著通

29、用計算機(jī)價格降低，目前已經(jīng)很少采用9/12/202284計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法2：由下向上（Bottom-Up)設(shè)計過程： 根據(jù)當(dāng)時的器件水平，設(shè)計微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級語言編譯器等最后設(shè)計面向應(yīng)用的用戶級應(yīng)用場合：通用計算機(jī)的一種設(shè)計方法，在計算機(jī)早期設(shè)計中（6070年代）廣為采用特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。9/12/202285計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法3：中間開始（Middle-Out) 用于系列計算機(jī)的設(shè)計過程中9/12/202286計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念方法3：中間開始（M

30、iddle-Out)設(shè)計過程： 首先定義軟硬件的分界面(指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等) 然后各個層次分別進(jìn)行設(shè)計(軟件設(shè)計人員設(shè)計操作系統(tǒng)、高級語言、匯編語言、應(yīng)用程序等，硬件設(shè)計人員設(shè)計傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等) 應(yīng)用場合：用于系列機(jī)的設(shè)計 特點：軟硬件人員結(jié)合、同時設(shè)計，軟硬件功能分配合理。 9/12/202287計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.4 計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1 馮諾依曼結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展的影響1.4.3 應(yīng)用發(fā)展的影響1.4.4 改進(jìn)算法的影響9/12/202288計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.4.1 馮諾

31、依曼結(jié)構(gòu)Van Nenmann基本思想于1936年1946年期 間形成，由馮諾依曼等人于1946年提出9/12/202289計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1. 特點: 存儲程序、運算器為中心、集中控制存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個地址是唯一定義的。 4096個字、40位。由指令形式的低級機(jī)器語言驅(qū)動。指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。9/12/202290計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 現(xiàn)代處

32、理機(jī)對馮諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不變的：存儲程序 改變的：存儲器為中心, 總線結(jié)構(gòu), 分散控制從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機(jī)，并行計算機(jī)、多處理機(jī)等流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線處理機(jī)數(shù)據(jù)庫計算機(jī)和知識庫計算機(jī)專用計算機(jī)，如FFT變換機(jī)、過程控制計算機(jī)為獲得高可靠性而研制容錯計算機(jī)功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等9/12/202291計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念存儲器為中心、分散控制9/12/202292計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 總線結(jié)構(gòu)，分散控制總線： 連接計算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路

33、稱為總線。特點：在任何時刻，只能有一個部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個部件同時接收信息。組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 單總線結(jié)構(gòu)CPU主存輸入設(shè)備輸出設(shè)備總線9/12/202293計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 雙總線結(jié)構(gòu)CPU主存擴(kuò)展總線控制線路I/O設(shè)備I/O設(shè)備處理機(jī)總線32MHz32或64位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位 . . . . .9/12/202294計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 三總線結(jié)構(gòu)CPU主存PCI橋I/O設(shè)備I/O設(shè)備處理機(jī)總線100MHz32或64位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位 . . . . .PCI

34、 BUS 33MHz 4B擴(kuò)展總線控制線路I/O設(shè)備I/O設(shè)備接快速設(shè)備接慢速設(shè)備9/12/202295計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 非馮計算機(jī)的發(fā)展什么是非馮計算機(jī)？非指令驅(qū)動，從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)計算機(jī)。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)樾枨篁?qū)動型，出現(xiàn)各種圖歸約計算機(jī)。處理非數(shù)值化信息的智能計算機(jī)，自然語言、聲音、圖形和圖象處理,虛擬現(xiàn)實處理等第五代計算機(jī)，由推理機(jī)和知識庫機(jī)等組成。歷經(jīng)10年，召開過多次專題國際會議。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)，仿生計算機(jī)，9/12/202296計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.4.2 器件發(fā)展的影響1. 第1代至第4代計算機(jī)以器件來劃

35、分 第一代：電子管(Valve) 第二代：晶體管(Transistor) 第三代：集成電路(LSI) 第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI) 第五代：智能計算機(jī)？第五代計算機(jī)以什么作為標(biāo)志來劃分？第五代計算機(jī)什么時候誕生？9/12/202297計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 器件發(fā)展的特點(1) 集成度迅速提高 目前水平：每個芯片有1010個晶體管 單芯片內(nèi)可以做大于1Gb存儲器， 單芯片內(nèi)可以集成2個CPU全部Cache 每45年提高一個數(shù)量級 還遠(yuǎn)沒有達(dá)到集成度的極限 問題？ 如何利用器件集成度的提高，不斷改進(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如，有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的Cac

36、he等9/12/202298計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(2) 提高速度空間不大 目前CPU主頻已經(jīng)到達(dá)6GHz， 時鐘周期0. 16ns，門延遲小于0.01ns 極限速度30萬公里/秒/21.5mm/0.01ns 信號在導(dǎo)體中傳遞速度小于光速的50。 Pentium芯片面積500mm2，即23mm 23mm 器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理 機(jī)速度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個方面提高處理機(jī)速度： 提高IPC，從目前的2左右提高到8以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)9/12/202299計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(3) 價格直線下降 CPU芯片的價格每年要

37、下降80%(4) 可靠性越來越高 芯片可靠性達(dá)到108小時，連續(xù)使用1萬年以上9/12/2022100計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 器件種類 通用片：邏輯關(guān)系確定 大批量生產(chǎn)，如：CPU、存儲器、寄存器 現(xiàn)場片：可以一次或多次改寫邏輯關(guān)系 如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA 用戶片：各種專用芯片 需要單獨設(shè)計和生產(chǎn)。 半用戶片：門陣列片等 標(biāo)準(zhǔn)的門電路，前幾到工序已經(jīng)完成； 根據(jù)用戶需要確定最終連線。9/12/2022101計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念4. 器件發(fā)展對計算機(jī)組成技術(shù)的影響 器件速度與處理機(jī)工作主頻 1955年第一臺大型機(jī) IBM704 機(jī)，主頻12u

38、s， 1976年巨型向量計算機(jī)CRAY，主頻12.5ns， 目前，Pentium4 的主頻已經(jīng)達(dá)到 3GHz 器件速度與指令執(zhí)行時間 46年來器件速度提高104，指令速度快108以上 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用 器件速度提高減慢, 處理機(jī)主頻提高速度減緩 指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變(摩爾定理)9/12/2022102計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.4.3 應(yīng)用發(fā)展的影響1. 應(yīng)用需求 高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計算：氣象模型,流體流動,有限元分析。 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計算：蒙特卡洛模擬, 稀疏矩陣。 實時多因素問題：語音識別,圖象處理, 計算機(jī)視覺。 海量存儲和輸入輸出密集問題：數(shù)據(jù)庫, 事務(wù)處理。 圖形

39、學(xué)和設(shè)計系統(tǒng)：計算機(jī)輔助設(shè)計。2. 三個時期 通用計算機(jī)：主要是通用科學(xué)計算 專用計算機(jī)：科學(xué)計算、事務(wù)處理、實時控制 高性能通用機(jī)：滿足多種需求 目前又開始多種專用處理機(jī)的研制9/12/2022103計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 兩個發(fā)展趨勢維持價格不變，利用VLSI技術(shù)等，提高性能性能基本不變，價格迅速下降一般先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個方向發(fā)展4. 三種設(shè)計思想最高性能價格比：商用機(jī)。主要發(fā)展方向最高性能：國家安全需要，科技發(fā)展需要 例如：銀河計算機(jī)、神州計算機(jī)、最低價格：家用學(xué)習(xí)機(jī)等9/12/2022104計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.4.4 改進(jìn)算法的影響

40、 在多個層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如：快速乘法、除法、開平方等的實現(xiàn)：記分板算法、Tomasulo算法提高指令級并行性消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法有些問題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。許多算法還有改進(jìn)的余地，通過算法的研究能夠大幅度提高系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者要研究算法，應(yīng)該研究一系列算法，使所有同類問題都能很好解決。9/12/2022105計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.5 計算機(jī)系統(tǒng)的分類1.5.1 按處理機(jī)性能分類1.5.2 佛林分類法1.5.3 庫克分類法1.5.4 馮澤云分類法1.5.5 漢德勒分類法9/12/202210

41、6計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.5.1 按處理機(jī)性能分類1. 按大小劃分種類：巨型、大型、中型、小型、微型機(jī)劃分原則：以性能為特征，按價格來劃分存在問題：劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時間而變化， 每年左右降低一個等級設(shè)計方法：最高性能 特殊用途 最佳性能價格比 一般商用計算機(jī) 最低價格 家用計算機(jī)等 Small is fast9/12/2022107計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 價最佳性能價格比 格最高性能巨型機(jī)大型機(jī)等性能線中型機(jī)小型機(jī)最低價格微型機(jī)(超微型機(jī)) t-3 t-2 t-1 t t+1時期9/12/2022108計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念2. 按用途劃分種類：科學(xué)計算、事務(wù)處理

42、、實時控制、工作站、服務(wù)器、家用計算機(jī)等。劃分原則：科學(xué)計算：浮點計算速度 事務(wù)處理：字符處理、十進(jìn)制運算 實時控制：中斷響應(yīng)速度、I/0能力 工作站：圖形處理能力 服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲能力 家用計算機(jī)：價格便宜，軟件豐富發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī)各種專用處理機(jī)、協(xié)處理器、嵌入式處理機(jī)9/12/2022109計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念3. 按數(shù)據(jù)類型劃分定點計算機(jī)、浮點計算機(jī)、向量計算機(jī)、堆棧計算機(jī)等4. 按處理機(jī)個數(shù)和種類劃分單處理機(jī)并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)關(guān)聯(lián)處理機(jī)超標(biāo)量處理機(jī), 超流水線處理機(jī), VLIW處理機(jī)SMP(對稱多處理機(jī))、MPP(大規(guī)模并行

43、處理機(jī))、機(jī)群(Cluster)系統(tǒng)等9/12/2022110計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念5. 按所使用的器件劃分 按使用的器件劃分計算機(jī)系統(tǒng)的時代 第一代：電子管(Valve)計算機(jī) 第二代：晶體管(Transistor)計算機(jī) 第三代：集成電路(LSI)計算機(jī) 第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI)計算機(jī) 第五代：智能計算機(jī)？ 目前的絕大部分計算機(jī)系統(tǒng)是VLSI計算機(jī) 公認(rèn)的第五代計算機(jī)什么時候誕生？ 第五代計算機(jī)以什么作為標(biāo)志來劃分？9/12/2022111計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.5.2 佛林分類法 1966年由Michael.J. Flynn 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍

44、性特征進(jìn)行分類 指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列 數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列 多倍性(multiplicity)：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于 同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù) 四種類型 (1)單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD(Single Instruction Single Datastream) (2)單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMD(Single Instruction Multiple Datastream) (3)多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD(Multiple Instruction Single Datastream) (4)多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMS(Multiple Instructi

45、on Multiple Datastream)9/12/2022112計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(1) SISD 典型單處理機(jī)，包括：單功能部件處理機(jī)：IBM1401，VAX-11多功能部件處理機(jī)：IBM360/91，370/168， CDC6600等流水線處理機(jī)，指標(biāo)量流水線處理機(jī)9/12/2022113計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(2) SIMD：并行處理機(jī)、陣列處理機(jī)、向量處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)多個PU按一定方式互連，在同一個CU控制下，對各自的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看指令順序執(zhí)行，從PU看數(shù)據(jù)并行執(zhí)行。9/12/2022114計算機(jī)系統(tǒng)

46、結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(3) MISD：幾條指令對同一個數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的 處理，實際上不存在9/12/2022115計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(4) MIMD 多處理機(jī)系統(tǒng)，包括： 緊密偶合：IBM3081、IBM3084、 UNIVAC-1100/80 松散偶合：D-825, Cmmp, CRAY-29/12/2022116計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 Flynn分類法得到廣泛應(yīng)用 SIMD、MIMD、SPMD、XIMD、 主要缺點：(1)分類太粗 在SIMD中包括有多種處理機(jī) 對流水線處理機(jī)的劃分不明確， 標(biāo)量流水線為SISD，向量流水線為SIMD(2)根本問題是把兩個不同等級的功

47、能并列對待 數(shù)據(jù)流受指令流控制，造成MISD不存在(3)非馮計算機(jī)的分類？其他新型計算機(jī)的分類9/12/2022117計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念1.5.3 庫克分類法 1978年由 D. J. Kuck提出 按控制流和執(zhí)行流分類，四種類型(1)單指令流單執(zhí)行流 SISE(Single Instruction Single Executionstream) 典型的單處理機(jī)(2)單指令流多執(zhí)行流 SIME(Single Instruction Multiple Executionstream) 多功能部件處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、向量處理機(jī)、 流水線處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理 機(jī)、SIMD并行處理機(jī)9/12/2022118計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念(3)多指令流單執(zhí)行流MISE (Multiple Instruction Single Executionstream) 多道程序系統(tǒng) (4)多指令流