本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 chapter1-3

§3計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬取舍、性能評測及定量設(shè)計原理軟、硬取舍的基本原則計算機(jī)系統(tǒng)的性能評測

計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計原則計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計思路

計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計步驟控制流程的三種實現(xiàn)方法

全硬件、軟硬件結(jié)合、全軟件邏輯上等價硬件實現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少軟件實現(xiàn)：速度慢、復(fù)制費用低；靈活性好、占用內(nèi)存多、易設(shè)計、可改性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)計周期短；發(fā)展趨勢硬件實現(xiàn)的比例越來越高硬件所占的成本越來越低軟硬件實現(xiàn)的優(yōu)缺點項目軟件硬件速度慢快系統(tǒng)靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)弱成本低高計算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件功能分配發(fā)展不可編程目前計算機(jī)最少硬件軟件硬件軟硬件比例計算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件成本變化七十年代硬件軟件成本年代軟硬取舍的基本原則很高的性能價格比

設(shè)：D為研制設(shè)計費用，M為重復(fù)生產(chǎn)費用

h為硬件，s為軟件。

則：設(shè)C：該功能在軟件實現(xiàn)時許重新設(shè)計的次數(shù)；

R：存儲介質(zhì)上出現(xiàn)的次數(shù)；

V：生產(chǎn)的臺數(shù)；

則硬件的費用：

軟件的費用：

軟硬取舍的基本原則（續(xù)）則只有：將上述帶入：可見：只有在C和R的值較大時，才成立。由于：則：因為：C<100

所以V值越大，上式成立。即產(chǎn)量大。

軟硬取舍的基本原則（續(xù)）考慮到準(zhǔn)備采用和可能采用的組成技術(shù)，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用；

不能僅從“硬”的角度去考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和發(fā)揮器件技術(shù)的進(jìn)展，還應(yīng)從“軟”的角度把為編譯和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，以至高級語言程序的設(shè)計提供更多更好的硬件支持放在首位；

軟硬取舍的基本原則（續(xù)）考慮用戶的應(yīng)用領(lǐng)域：專用—硬件設(shè)計周期長的硬件不宜采用常用的功能盡量采用硬件實現(xiàn)實現(xiàn)功能的成本性能比（或價格性能比）要低盡量采用新技術(shù)實現(xiàn)超前設(shè)計舉例1：某一計算機(jī)用于商業(yè)外貿(mào)的事務(wù)處理，有大量的字符串操作。由于這種事務(wù)處理很普遍，有較大的市場，故而設(shè)計人員決定在下一代此類計算機(jī)的CPU中加入字符串操作的功能。經(jīng)測試應(yīng)用軟件調(diào)查發(fā)現(xiàn)，字符串操作的使用占整個程序運行時間的50%，而增加此功能如用軟件（如微程序）實現(xiàn)，則快5倍，增加CPU成本1/5倍；如果用硬件實現(xiàn)，則快100倍，CPU成本增加到5倍。問設(shè)計人員提出增加此功能是否恰當(dāng)？是否用軟件還是硬件？設(shè)CPU成本占整機(jī)成本的1/3。硬件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)舉例2：如果上例中，字符串操作功能的使用時間占整個程序運行時間的90%，則情況如何？硬件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的評測性能指標(biāo)體現(xiàn)在時間和空間峰值性能：在理想情況下計算機(jī)系統(tǒng)可獲得的最高理論性能值，它不能反映出系統(tǒng)的實際性能實際性能（持續(xù)性能）：只是峰值性能的5%-30%持續(xù)性能的表示算術(shù)性能平均值：調(diào)和性能平均值：幾何性能平均值：加權(quán)算術(shù)平均值：加權(quán)調(diào)和平均值：加權(quán)幾何平均值：CPU性能公式CPU的性能取決于三個要素：①時鐘頻率f（或時鐘周期t）；②每條指令所花的時鐘周期數(shù)CPI；③指令條數(shù)IC一個程序所花的CPU時間(T)可以用兩種方式來表示：CPU時間(T)=CPU時鐘周期數(shù)(CPI×IC)*時鐘周期長(t)每條指令的平均時鐘周期數(shù)：計算CPU的程序時間：IC(InstructionCounter)：程序執(zhí)行的總指令條數(shù)CPI(CyclesPerInstruction)：平均每條指令的時鐘周期Fc：主時鐘頻率假設(shè)系統(tǒng)共有n種指令，第i種指令在程序中出現(xiàn)的次數(shù)為Ii,這樣：MIPS(MillionInstructionPerSecond)MFLOPS(MillionFloatingPointPerSecond)評測方法采用實際的應(yīng)用程序測試如：C語言的編譯程序，CAD應(yīng)用：Spice采用核心程序測試從實際程序中抽出關(guān)鍵部分組合而成合成測試程序人為寫的核心程序，規(guī)模小，結(jié)果預(yù)知綜合基準(zhǔn)測試程序計算機(jī)系統(tǒng)的定量設(shè)計原理

哈夫曼壓縮原理Amdahl定律程序訪問的局部性規(guī)律哈夫曼壓縮原理盡可能加速高概率事件遠(yuǎn)比加速處理概率很低的事件對性能提高要顯著。只加速使用頻率高的部件Makethecommoncasefast例如：CPU中的加法，溢出情況。這是計算機(jī)設(shè)計中最重要也最廣泛采用的設(shè)計準(zhǔn)則。使經(jīng)常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統(tǒng)的性能。Amdahl定律

系統(tǒng)對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程序，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。Amdahl定律（續(xù)）定義了加速比的大小Amdahl加速比（續(xù)）Amdahl例1.1

假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍,但該部件的原處理時間僅為整個運行時間的40%，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,re=10，根據(jù)Amdahl定律Amdahl例1.2

采用哪種實現(xiàn)技術(shù)來求浮點數(shù)平方根FPSQR的操作對系統(tǒng)的性能影響較大。假設(shè)FPSQR操作占整個測試程序執(zhí)行時間的20%。一種實現(xiàn)方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一種實現(xiàn)方法是使所有浮點數(shù)據(jù)指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，還假設(shè)FP指令占整個執(zhí)行時間的50%。請比較這兩種設(shè)計方案。Amdahl例1.2解：分別計算出這兩種設(shè)計方案所能得到的加速比：CPU性能公式CPU的性能取決于三個要素：①時鐘頻率f（或時鐘周期t）；②每條指令所花的時鐘周期數(shù)CPI；③指令條數(shù)IC一個程序所花的CPU時間(T)可以用兩種方式來表示：CPU時間(T)=CPU時鐘周期數(shù)(CPI×IC)*時鐘周期長(t)每條指令的平均時鐘周期數(shù)：例1.3

如果FP操作的比例為25%，F(xiàn)P操作的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI為1.33，F(xiàn)PSQR操作的比例為2%，F(xiàn)PSQR的CPI為20。假設(shè)有兩種設(shè)計方案，分別把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI減為2。試?yán)肅PU性能公式比較這兩種設(shè)計方案哪一個更好(只改變CPI而時鐘頻率和指令條數(shù)保持不變)。例1.3的解答解：原系統(tǒng)的CPI=25%×4+75%×1.33=2方案1（使FPSQR操作的CPI為2）系統(tǒng)

CPI=CPI原-2%×（20-2）=2-2%×18=1.64方案2（提高所有FP指令的處理速度）系統(tǒng)

CPI=CPI原-25%×（4-2）=2-25%×2=1.5我們也可以根據(jù)以下公式計算出方案2系統(tǒng)的CPICPI=75%×1.33+25%×2=1.5顯然，提高所有FP指令處理速度的方案要比提高FPSQR處理速度的方案要好。方案2的加速比=2/1.5=1.33程序訪問的局部性規(guī)律局部性分時間上的局部性和空間上的局部性時間局部性：程序中近期被訪問的信息項很可能馬上將被再次訪問。空間局部性：指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能會被一起訪問。存儲器體系的構(gòu)成就是以訪問的局部性原理為基礎(chǔ)的。計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)

滿足用戶對功能上的要求以及相應(yīng)的價格性能要求滿足功能要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計設(shè)計應(yīng)能適應(yīng)日后的發(fā)展趨勢硬件與軟件的發(fā)展硬件：晶體管數(shù)：

增加25%/年，

三年一倍DRAM的密度：60%/年，二年三倍訪存周期：減少33%/十年硬盤密度：增加25%/年訪問時間：減少33%/十年

軟件：

程序空間：

1.5~2位/年地址：0.5~1位/年

計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計思路由上往下(Top-down)由下往上(Bottom-up)由中間開始(Middle-out)由上往下(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（早期計算機(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，應(yīng)用對象變了，難以適應(yīng)。隨著通用計算機(jī)價格降低，目前已經(jīng)很少采用第一步：確定這一級的基本特性第二步：設(shè)計或選擇面向這種應(yīng)用的高級語言第三步：設(shè)計適于所用高級語言編譯的中間語言第四步：設(shè)計面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)第五步：設(shè)計面向所用編譯程序和操作系統(tǒng)的機(jī)器語言第六步：設(shè)計面向機(jī)器語言的偽指令機(jī)器硬件實現(xiàn)微程序機(jī)器級傳統(tǒng)機(jī)器級操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級匯編（中間）語言虛擬機(jī)器級面向應(yīng)用的高級語言虛擬機(jī)器級應(yīng)用虛擬機(jī)器級由上往下設(shè)計由下往上(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)用的虛擬機(jī)器級。應(yīng)用場合：

在計算機(jī)早期設(shè)計中（60～70年代）廣為采用特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)軟件被動，某些性能指標(biāo)不確切整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。微程序機(jī)器級傳統(tǒng)機(jī)器級操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級匯編（中間）語言虛擬機(jī)器級面向應(yīng)用的高級語言虛擬機(jī)器級應(yīng)用虛擬機(jī)器級由下往上設(shè)計由中間開始(Middle-out)設(shè)計過程：首先定義軟硬件的分界面，包括：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)用出現(xiàn)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)