2022年2022年计算机组成与体系结构ch计算机系统结构 .pdf

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1、1 第九章计算机系统结构本章基本要求：掌握计算机系统性能评价方法，了解计算机系统结构的发展、分类，了解计算机系统设计技术。课程内容：计算机系统结构的两种定义、透明性现象及计算机组成、计算机实现；计算机系统结构的分类。* #计算机系统性能评价标准：MIPS、CPI、基准程序等；*Amdahl 定律；计算机系统设计方法；*软件兼容；9.1 计算机系统结构简介9.1.1 研究计算机系统结构的意义1. 回顾三个概念：计算机系统结构（主要研究计算机系统的设计）计算机组成（计算机系统结构的逻辑实现）计算机实现（计算机组成的物理实现）2. 研究计算机系统结构的意义：提高处理机运算速度的两个途径：MIPS F

2、z IPC （其中： Fz 为处理机的工作主频， IPC 为每个时钟周期平均执行的指令条数）提高 IPC：依靠先进系统结构 （过去，几个周期完成一条指令； 现在，一个周期完成几条指令）提高 Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步（提高处理机工作主频）经过分析比较计算机发展的几个阶段发现，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的 5 倍。9.1.2 计算机系统结构的定义1. 计算机系统结构的定义一：Amdahl于 1964 年提出：程序员所看到的计算机系统的属性, 即概念性结构和功能特性。程序员：系统程序员（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）看到的：编写出能在机器上正确运行的程序

3、所必须了解到的功能特性：?数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型；?寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等；?寄存器组织：操作数寄存器、 变址寄存器、 控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；?指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等；?中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2 IS DS CU PU MM SISD IS DS1 PU MM DS2 CU

4、 PU DSn MM PU SIMD ?存储系统：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等；?处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等；?输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等；?信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。2. 透明性现象： 本来存在的事物或属性， 从某种角度看似乎不存在。 通常低层机器级的概念性结构和功能特性对高级语言程序员来说是透明的。3. 计算机系统结构定义二：研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定。这是计算机系统结构的主要研究任务。计算机系统由软件、 硬件和固件组成， 它们在功能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。软硬件的取舍

5、：主要考虑硬件和软件的合理分配，一种功能由软件实现还是由硬件实现具有不同的优点。硬件实现：速度快，有较好的性能速度快、成本高；灵活性差、占用内存少；软件实现：设计容易、改进简单速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多所以关键就是找到一个软件与硬件的平衡点，才能得到性能价格比最佳的计算机。9.1.3 计算机系统结构的分类这里主要介绍 Flynn 分类法，1966 年由 Michael.J. Flynn 提出按照指令流和数据流的多倍性特征进行分类。指令流：机器执行的指令序列数据流：由指令流调用的数据序列多倍性：在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数四种类型：(1) 单指

6、令流单数据流 SISD(Single Instruction Single Datastream) 如：传统的顺序处理机( 串行机 ) ；指令部件一次只对一条指令译码并且只对一个执行部件分配数据(2) 单指令流多数据流 SIMD(Single Instruction Multiple Datastream)如：阵列处理机、并行处理机、向量处理机；多个PU按一定方式互连，在同一个CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作；从CU看指令顺序执行，从PU看数据并行执行。(3) 多指令流单数据流 MISD(Multiple Instruction Single Datastream) 几条指令对

7、同一个数据进行不同的处理，没有什么实用价值，实际上不存在。(4) 多指令流多数据流 MIMS(Multiple Instruction Multiple Datastream)如：多处理机；可以看成是多个独立的SISD单机系统的集合。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3 DS IS1 CU1 PU1 MM IS2CU2 PU2 MM CUn PUn ISnMISD IS1 DS1CU1 PU1 MM IS2DS2

8、CU2 PU2 MM ISn DSn CUn PUn MIMD 9.1.4 软件兼容性用户希望在新的计算机系统出台后， 原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就要求软件具有可兼容性， 即可移植性。 它是指一个软件可不经修改或只需少量修改便可由一台机器移植到另一台机器上去运行，即同一软件可应用于不同环境。1. 兼容种类：(1) 向后兼容：在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上。(2) 向前兼容：在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于之前生产的机器上。(3) 向上兼容：在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上。(4) 向下兼容：在

9、高档机器上运行的目标软件能够直接运行于低档机器上。向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到；向前兼容和向下兼容，可以不考虑2. 解决软件可移植性的方法：(1) 方法一：系列机方法（系列机是暂时性方法，也是目前最好的方法）系列机 : 具有相同的系统结构， 但组成和实现技术不同的一系列计算机系统。一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现实现方法：在系统结构基本不变的基础上，根据不同的性能和不同的器件，研制出多种性能和价格不同的计算机系统。主要缺点：限制了计算机系统结构的发展。(2) 方法二：模拟与仿真定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟，用软件、硬

10、件、固件混合实现的叫仿真模拟的实现方法：在A计算机上通过解释或编译实现B计算机的指令系统。 A 机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。仿真的实现方法：直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的指令。 A机器称为宿主机， B机称为目标机优缺点比较：模拟方法速度低，仿真方法速度高；仿真需要较多的硬件（包括控制存储器），系统结构差别大的机器难于用仿真方法实现(3) 方法三：统一高级语言（采用统一高级语言最好，是努力的目标）实现方法：采用同一种不依赖于任何具体机器的高级语言编写系统软件和应用软件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

11、 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4 )1(0eeenSFFTT时间改进后整个任务的执行eeennSFFTTS)1 (10比改进后整个系统的加速时间改进前整个任务的执行可改进部分的执行时间可改进部分的比例Fe时间改进后改进部分的执行时间改进前改进部分的执行改进部分加速比Se56.164. 01104.0)4.01 (1nS33. 175.0125 .0) 5. 01(122.182. 01102.0)2.01 (1FPFPSQRSS困难：至今还没有这样一种高级语言，短期内很难实现。9.2 计算机系统设计的定量原理9.2.1

12、加快经常性事件的速度这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能。在 CPU 中两个数进行相加运算时， 相加结果可能出现溢出现象， 也可能无溢出发生， 显然经常出现的事件是不发生溢出的情况，而溢出是偶然发生的事件。 因此，在设计时应优化不发生溢出的情况，使这个经常性事件的处理速度尽可能快，而对溢出处理则不必过多考虑优化。因为发生溢出的概率很小，即使发生了，处理得慢一些也不会对系统性能产生很大的影响。9.2.2 Amdahl定律系统中某一部件由于采用更快的执行方式后，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。0为改进前

13、的整个任务的执行时间例：某部件的处理时间仅为整个运行时间的40% ，如果将该部件的处理速度加快到10 倍，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10 ，根据 Amdahl定律，加速比为：例：采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。 假设 FPSQR 操作占整个测试程序执行时间的20% 。一种实现方法是采用FPSQR 硬件，使 FPSQR 操作的速度加快到10 倍。另一种实现方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2 倍，还假设 FP指令占整个执行时间的50% 。请比较这两种设计方案。解：分别计算出这

14、两种设计方案所能得到的加速比：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 5 9.2.3 访问的局部性原理局部性分时间上的局部性和空间上的局部性：时间上的局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码。空间上的局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问。9.3 系统结构的评价标准9.3.1 CPU 性能公式CPU 的性能取决于三个要素：时钟频率 f( 或时钟周期 t) ；每条指令所花的时钟周期数CPI；指令条数 IC

15、一个程序所花的 CPU 时间(T) 可以用两种方式来表示：CPU 时间(T)=CPU时钟周期数 (CPIIC)* 时钟周期长 (t) 每条指令的平均时钟周期数：Ii是指令 i 在程序中执行的次数CPIi表示指令 i 所需的平均时钟周期数Ii/IC 是指令 i 在程序中所占比例例：如果 FP操作的比例为 25% ，FP操作的平均 CPI=4.0，其它指令的平均CPI 为 1.33 ，FPSQR 操作的比例为 2% ， FPSQR 的 CPI为 20。假设有两种设计方案，公别把FPSQR 操作的 CPI 和所有FP操作的 CPI 减为 2。试利用 CPU 性能公式比较这两种设计方案哪一个更好( 只

16、改变 CPI 而时钟频率和指令条数保持不变) 。解：原系统的 CPI=25% 4+75% 1.33 =2 方案 1(使 FPSQR 操作的 CPI 为 2) 系统的 CPI=CPI原-2% (20-2) =2-2% 18 =1.64方案 2(提高所有 FP指令的处理速度 ) 系统的 CPI=CPI原-25% (4-2) =2-25% 2 =1.5 我们也可以根据以下公式计算出方案2 系统的 CPI= 75%1.33+25% 2 =1.5 显然，提高所有 FP指令处理速度的方案要比提高FPSQR 处理速度的方案要好。方案 2 的加速比 =2/1.5= 1.33 例：如果某一计算任务用向量方式求解

17、比用标量方式求解要快20 倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总的时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者关系的曲线。为达到加速比 2，可向量化的百分比应为多少？为获得采用向量方式最大加速比的半值( 即 10)时，所需可向量化的百分比为多少。)()()(fCPIICCPUTCPU频率时钟周期数时间niICiIiCPIICniiIiCPIICCPUCPI1)(1)(时钟周期数目名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - -

18、- - - - 6 如果某程序可向量化部分为70% ，硬件设计组认为可以通过加大工程投资，使向量处理速度加倍来进一步增加性能； 而编译程序编写组认为只需设法增加向量工作方式的百分比就同样可使性能得到相同的提高， 问：此时需使可向量化成分再增加多少百分比就可实现。你认为上述硬、软件两种方法中，哪一种方法更好？解：(1) 可向量化百分比为Fe, Se=20，根据 Amdahl定律(2) 则可向量化的百分比Fe=0.526 (3) 则可向量化的百分比Fe=0.947 (4)用硬件组方法 : 已知 Se=40 ，Fe=0.7，解出 Sn=40/12.73.1496（两种方法得到的相同性能）用软件组方法

19、， 已知 Se=20 ，Sn=40/12.7 ，解出 Fe=27.3/38 0.7184（第二种方法的百分比）结论：软件组方法更好。因为硬件组需要将Se再提高 100% （2040） ，而软件组只需将Fe再提高 1.84%（0.7 0.7184） 。9.3.2 衡量计算机性能的标准评价一个计算机系统结构好坏的标准主要是性能和成本这两个指标。而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。1.MIPS 表示每秒百万指令条数。对于一个给定的程序，MIPS 定义为：程序的执行时间为：可见：愈快的机器其MIPS愈高2.MFLOPS 即每秒百万次浮点操作次数3. 用基准测试程序来测试机器性

20、能例：用一台 40MHz 处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：指令类型指令数时钟周期数整数运算 45000 1 数据传送 32000 2 浮点 15000 2 控制传送 8000 2 求有效 CPI、MIPS速率和程序的执行时间。666101010CPIMIPSCPI时钟频率执行时间指令条数时钟周期指令条数指令条数610MIPST指令条数ee.F9501120FF11Sen2F95011Sne.10F95011Sne.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

21、 - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 7 解：9.5 作业1. 假设高速缓存 Cache 工作速度为主存的5 倍， 且 Cache被访问命中的概率为90% ， 则采用 Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比？2. 假设在一台 40MHz处理机上运行 200 000 条指令的目标代码，程序主要由四种指令组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所需的指令数如下：指令类型CPI 指令混合比算术和逻辑 1 60% 高速缓存命中的加载 / 存储 2 18% 转移4 12% 高速缓存缺失的存储器访问8 10% (a) 计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程

22、序的平均CPI (b) 根据(a) 所得 CPI，计算相应的 MIPS速率。sMIPSICTsICCPITCPIfMIPSICCPIiIiCPIIiICfii875. 3108 .2510000010875. 3104010000055. 18.251055. 110401055. 110000028000215000232000145000/1000008000150003200045000104066666641416有效名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -