计算机系统结构1

主讲人：lyx上课时间：9月1日起，每周2.4(单)1-2节上课地点：B305多媒体教室第一章计算机系统结构的基本概念计算机的分代第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954）第二代：以晶体管为主要逻辑器件（1955-1964）第三代：以中、小规模集成电路为主要逻辑器件（1965-1974）第四代：大规模集成电路（1975-1990）第五代：VLSI工艺，高速器件（1991-现在）日本的计划，智能计算机计算机换代标志：器件系统结构自然界中的生物链80年代计算机生物链•计算机系统结构的变化单CPU、程序计数器、累加器、定点运算、采用机器语言或汇编语言变址寄存器、浮点运算、多路存储器、I/O处理机、高级语言、监控程序流水线、高速缓存、先行处理机、采用微程序控制、多道程序、分时操作系统共享存储器、分布存储器、并行处理、多处理操作系统、专用语言等大规模并行处理、采用可扩展的容许时延的系统结构•本课程的内容“计算机系统结构”是计算机及相关学科的专业技术基础课程。它主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。计算机系统结构是从外部来研究计算机系统。它是使用者所看到的物理计算机的抽象，编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。本课程的学习目的是建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计方法，掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理。本课程介绍计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。内容包括计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、输入输出系统、标量处理机、向量处理机互连网络、并行处理机和多处理机等。“•本章重点内容1.熟练掌握内容:计算机系统层次结构，系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定义，MFLOPS定义。2.掌握内容:系统结构分类，冯·诺依曼计算机特征。3.了解内容:计算机系统结构的发展，计算机系统设计的主要方法，价格、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。第一章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统结构1.2计算机系统设计技术1.3系统结构的评价标准1.4计算机系统结构的发展本章习题1.1计算机系统结构计算机系统层次结构计算机系统结构定义计算机组成与实现计算机系统结构的分类计算机系统层次结构计算机系统人应用语言级为人民服务级高级语言级读书、学习级汇编语言级语言、思维级操作系统级生理功能级传统机器级人体器官级微程序机器级细胞组织级电子线路级分子级虚拟机的概念:传统机器级以上的所有机器都称为虚拟机，它们是由软件实现的机器。软硬件的功能在逻辑上是等价的，即绝大多部分硬件的功能都可用软件来实现，反之亦然。广义语言解释器/编译器作用对象控制信息状态信息观察者虚拟计算机•计算机系统结构定义计算机系统结构指的是什么?是一台计算机的外表?还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构?都不是，那么它是什么?定义：计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。任务：主要研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。透明性:在计算机技术中,一种本来存在的事物或属性,但从某种角度看似乎不存在,成为透明性现象。•计算机组成与实现计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流的组成以及逻辑设计等。计算机实现：是指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，器件集成度、速度、信号传输…计算机系统结构、计算机组成、计算机实现是不同的三个概念。•计算机系统结构的分类1、Flynn分类法指令流（Instructionstream,IS)数据流（Datastream，DS）多倍性（Multiplicity)SISD(SingleInstructionstreamsingleDataStream)SIMD(SingleInstructionstreamMultipleDatastream)MISD(MultipleInstructionstreamSingleDatastream)MIMD(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream)CUPUMMISDSISSISDCUPU1PU2PUnISMM1MM2MMnDS1DS2DSnSIMDCU1CU2CUnPU1PU1PU1MM1MM2MMnIS1IS2ISnIS1IS2ISnDS1DSnMISDMIMDMM1MM2MMnCU1CU2CUnPU1PU1PU1DS1DS2DSnIS1IS2ISnIS1IS2ISn2、冯氏分类法WSBS(Wordserialandbitsetial)WPBS(Wordparallelandbitserial)WSBP(Wordserialandbitparallel)WPBP(Wordparallelandbitparallel)Pm:最大并行度，指单位时间内能处理的最大二进制位数。用最大并行度对计算机系统结构分类116326416384288256643216MPP(1,16384)STARAN(1,256)Cmmp(16,16)PDP-11(16,1)EDVAC(1,1)IBM370/168(32,1)PEPE(32,288)ILLIAC-IV(64,64)TI-ASC(64,32)字宽位片宽（m）按最大并行度的冯氏分类法最大并行度：横坐标纵坐标3、Händler分类法根据并行度和流水线提出的另一种分类法。程序控制部件（PCU）的个数k；算术逻辑部件（ALU）或处理部件（PE）的个数d；每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC）的套数w。t(系统型号）=（k,d,w)1.2计算机系统设计技术计算机系统设计的定量原理计算机系统设计者的主要任务计算机系统设计的主要方法•计算机系统设计的定量原理1.加快经常性事件的速度这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。因为加快处理频繁出现事件对系统的影响远比加速处理很少出现事件的影响要大。2.Amdahl定律系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。T0：没有采用改进措施前执行某任务的时间Tn：采用改进措施后执行某任务的时间Sn：加速比Fe:计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占比例。Se：改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施的性能提高倍数。（加速比）Se=改进部分改进前执行时间改进部分改进后执行时间Fe=可改进部分占用时间改进前整个任务执行时间=T可改进T0=T可改进T改进后T可改进=T0*FeT改进后=T0*Fe/Se代入后，得下式：Tn=T0（1-Fe+FeSe)Sn=T0Tn=1（1-Fe+FeSe)Tn=T0-T可改进+T改进后例1.1假设某一系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：Fe=0.4Se=10根据Amdahl定律Sn=11-Fe+Fe/Se=10.6+0.4/10=1.56采用加快措施后能使整个系统性能提高56%例1.2假设FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。改进的一种方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一种方法是使FP指令的速度提高到2倍，FP指令占整个执行时间的50%。比较两个设计方案。解：分别计算两种方案的加速比：SFPSQR=1(1-0.2)+0.2/10=1.22SFP=1(1-0.5)+0.5/2=1.33使所有FP指令的速度提高这一方案更好。3CPU性能公式CPI（ClockcyclesPerInstruction):IC（InstructionCount)CPI=CPU时钟周期数/ICCPUTime=CPI*IC/时钟频率或CPUTime=CPU时钟周期数*时钟周期长决定CPU性能的三个要素：时钟频率、每条指令的时钟周期数、指令条数。用多个程序测试CPU的性能时：CPUClockcycles=(CPIi*Ii)i=1nCPUTime=时钟周期长度*(CPIi*Ii)i=1nCPI=(CPIi*Ii)i=1nIC=(CPIi*Ii/IC)i=1nIi是第i种指令的条数，Ii/IC是第I种指令所占比例数。4访问的局部性原理一个程序用90%的时间去执行仅占10%的程序代码。局部性的实质：根据程序的最近情况，可以较精确地测出最近的将来将要用到那些指令和数据。时间上的局部性空间上的局部性•计算机系统设计者的主要任务1确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求涉及：应用领域、软件兼容层次、操作系统需求、标准2软硬件的平衡3设计出符合今后发展方向的系统结构•计算机系统设计的主要方法1“由下往上”（bottom-up)设计2“由上往下”（top-down)设计3“由中间开始”（middle-out）设计1.3系统结构的评价标准性能1主要标准衡量机器性能的唯一固定而且可靠的标准就是真正执行程序的时间，其他各种替代标准可能导致错误的结论，从而使设计失败。以下是几种替代标准：MIPS（millioninstructionpersecond)MFLOPS（millionfloatingpointoprationspersecond)用基准测试程序来测试评价机器的性能综合基准测试程序MIPS=指令条数执行时间106=时钟频率CPI106MFLOPS=程序中浮点操作次数执行时间1062性能的比较例子：如下表总执行时间：一致的衡量标准A机B机C机程序111020程序2100010020总时间1001110401nAm=nTii=1平均执行时间加权平均时间Hm=i=1n1Ri1调和平均时间MFLOPS1nAm=nWiTii=1加权平均执行时间Hm=i=1nWiRi1加权调和平均时间MFLOPS例子：如下表所示ABCW1W2W3程序11.0010.0020.000.500.9090.999程序21000.0010.0020.000.500.0910.001加权平均W1500.0055.0020.00加权平均W291.8218.1820.00加权平均W32.0010.0920.00将一个任务的执行时间标准化为一个参考机器的执行时间几何平均公式：性质：G=nETRini=1G（Xi)G（Yi)=G(XiYi)ETR是程序标准化为参考机器后的时间加权平均不仅要受在任务中使用的频度的影响，而且还要受具体机器及输入量的制约，而标准化执行时间的几何平均是和程序的执行时间无关，与具体机器无关。•成本1成本指标硬件成本和软件成本195019551960196519701975198019851990987654321成本年份24022020018016014012010080604020050000100000产量成本成本与产量的关系2硬件考虑可以用价格和性能这两项指标来评价系统结构的好坏。测量系统结构的效率时必须考虑负载使用大量器件但效率很低的系统结构无法与设计简单而效率很高的系统结构竞争。1.4计算机系统结构的发展冯诺依曼结构软件对系统结构的影响价格对系统结构的影响应用对系统结构的影响VLSI对系统结构的影响技术的发展对系统结构的影响算法和系统结构冯诺依曼结构早期的冯诺依曼结构计算机如图:控制器运算器(ALU)存储器输入设备输出设备冯·诺依曼计算机的主要特点是：存储程序方式；指令串行执行，并由控制器加以集中控制；单元定长的一维线性空间的存储器；使用低级机器语言，数据以二进制表示；单处理机结构，以运算器为中心。改进后的冯·诺依曼计算机使其从原来的以运算器为中心演变为以存储器为中心。从系统结构上讲，主要是通过各种并行处理手段高提高计算机系统性能。•软件对系统结构的影响软件危机-