计算机系统结构的基本概念课件.ppt

《计算机系统结构的基本概念课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机系统结构的基本概念课件.ppt（54页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、计算机系统结构的基本概念第1页，此课件共54页哦课程教学目的v“计计算算机机系系统统结结构构”是是计计算算机机科科学学领领域域中中的的一一个个重要分支。重要分支。v它它强强调调从从总总体体结结构构、系系统统分分析析这这一一角角度度来来研研究究计计算机系统。算机系统。v通通过过本本书书的的学学习习，读读者者能能把把在在“计计算算机机组组成成原原理理”、“数数据据结结构构”、“操操作作系系统统”、“汇汇编编语语言言程程序序设设计计”等等课课程程中中所所学学的的软软件件与与硬硬件件知知识识有有机机地地结结合合起起来来，从从而而建建立立有有关关计计算算机机系系统统的的完完整整概概念。念。教材前言教材前

2、言第2页，此课件共54页哦教材v张晨曦等张晨曦等.高等教育出版社，高等教育出版社，2008.6计算机系统结构vJohn L.Hennessy,David A.Patterson.v中文版：计算机系统结构量化研究方法（第三版）郑纬民郑纬民 汤志忠汤志忠 汪东升汪东升 译，电子工业出版社译，电子工业出版社v英文版：Computer Architecture:A Quantitative Approach,Third Edition 机械工业出版社v郑纬民郑纬民 汤志忠汤志忠.清华大学出版社清华大学出版社,1998.9计算机系统结构（第二版）第3页，此课件共54页哦网站v张晨曦的精品课程网站张晨曦的

3、精品课程网站http:/ Home Pagehttp:/www-inst.eecs.berkeley.edu/cs252/v北大微处理器研发中心北大微处理器研发中心http:/ Computer Architecture Pagehttp:/www.cs.wisc.edu/arch/www/第4页，此课件共54页哦第1章 计算机系统结构的基本概念v计算机系统结构的概念和发展计算机系统结构的概念和发展v定量分析和性能评测定量分析和性能评测v计算机系统结构的并行性计算机系统结构的并行性1.1 1.1 引言引言v计算机技术的高速发展得益于：制造技术和设计创新计算机技术的高速发展得益于：制造技术和设计

4、创新v基于微处理器的系统在整个计算机设计领域占统治地位基于微处理器的系统在整个计算机设计领域占统治地位工作站和个人计算机已经成为计算机工业的主要产品工作站和个人计算机已经成为计算机工业的主要产品小型机被用微处理器构建的服务器所取代小型机被用微处理器构建的服务器所取代大型机也几乎已经被通用微处理器构成的多处理器代替大型机也几乎已经被通用微处理器构成的多处理器代替v系系统统结结构构的的重重大大转转折折：从从单单纯纯依依靠靠指指令令级级并并行行转转向向开开发发线线程程级级并行和数据级并行并行和数据级并行第5页，此课件共54页哦1.2.1 计算机系统的层次结构用用 户户 级级高高 级级 语语 言言 级

5、级汇汇 编编 语语 言言 级级系系 统统 软软 件件 级级 机机 器器 级级控控 制制 级级数数 字字 逻逻 辑辑 级级 应用软件应用软件 系统软件系统软件 软硬件界面软硬件界面物理机物理机虚拟机虚拟机硬件硬件固件固件硬件直接执行硬件直接执行Level 0(门电路、电子线路门电路、电子线路)Level 1(微程序或硬布线微程序或硬布线)Level 2(指令集结构指令集结构ISA)Level 3(操作系统、库代码操作系统、库代码)Level 4(汇编语言代码汇编语言代码)Level 5(C+，Java，等，等)Level 6(可执行程序可执行程序)第6页，此课件共54页哦虚拟v虚虚拟拟（virt

6、ual）：利利用用其其他他部部件件实实现现的的本本来来不不存存在的事物或属性在的事物或属性例如，虚拟机（例如，虚拟机（VM）：由软件实现的机器）：由软件实现的机器再如，虚拟主存、虚拟磁盘、虚拟现实再如，虚拟主存、虚拟磁盘、虚拟现实v从不同角度所看到的计算机系统的属性不同从不同角度所看到的计算机系统的属性不同广义语言广义语言虚拟计算机虚拟计算机VMVM解释或编译解释或编译作用对象作用对象 观察者观察者第7页，此课件共54页哦1.2.2 计算机系统结构的定义vAmdahl（阿阿姆姆达达尔尔）于于1964年年在在推推出出IBM360系列计算机时提出了系列计算机时提出了系统结构系统结构的概念：的概念：

7、程程序序员员所所看看到到的的计计算算机机系系统统的的属属性性，即即概概念念性性结结构和功能特性构和功能特性vThe structure of a computer that a machine language programmer must understand to write a correct(timing independent)program for that machine Amdahl,Blaauw and Brookes,1964第8页，此课件共54页哦透明v透透明明（transparent）：本本来来存存在在的的事事物物或或属属性性，从某种角度看似乎不存在从某种角度看似乎不

8、存在例如，浮点数表示、乘法指令：对高级语言程序例如，浮点数表示、乘法指令：对高级语言程序员、应用程序员是透明的，对汇编语言程序员、员、应用程序员是透明的，对汇编语言程序员、机器语言程序员则是不透明的机器语言程序员则是不透明的再如，数据总线宽度、微程序：对汇编语言程序再如，数据总线宽度、微程序：对汇编语言程序员、机器语言程序员是透明的，对硬件设计者、员、机器语言程序员是透明的，对硬件设计者、计算机维修人员则是不透明的计算机维修人员则是不透明的第9页，此课件共54页哦软硬件界面assemblercomplierOperating SystemlibraryISAS/WH/WApplicationH

9、/W：Hardware 硬件S/W：Software 软件ISA：Instruction Set Architecture 指令集结构第10页，此课件共54页哦1.2.3 计算机组成和计算机实现v计算机系统结构计算机系统结构(Computer architecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性程序员所看到的计算机属性外特性 v计算机组成计算机组成(Computer organization）组织组织计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现v计算机实现计算机实现(Computer implementation）

10、计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现v计计算算机机系系统统的的结结构构，组组成成，实实现现是是三三个个完完全全不不同同的的概概念念，相相互互间间有有着着十十分分密密切切的的依依赖赖关关系系和和相相互互的的影影响响。广广义义的的计计算算机机系系统统结结构构即即包包括括经经典典的的指指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究第11页，此课件共54页哦结构、组成和实现v一种系统结构可以有多种组成一种系统结构可以有多种组成v一种组成可以有多种物理实现一种组成可以有多种物理实现是否设置是否设置乘方乘方/开方指令开方指令逻辑设计逻辑设计1(硬联电路硬联电路)

11、实现方案实现方案1(V1,$1,T1)逻辑设计逻辑设计3(微程序微程序)逻辑设计逻辑设计2(ROM查表查表)实现方案实现方案2(V2,$2,T2)实现方案实现方案3(V3,$3,T3)计算机系统结构计算机系统结构计算机组成计算机组成计算机实现计算机实现是是否否第12页，此课件共54页哦1.2.4 计算机系统结构的分类vFlynn1966按照指令流和数据流的多倍性分类按照指令流和数据流的多倍性分类单指令流单数据流单指令流单数据流SISD：顺序处理计算机：顺序处理计算机单指令流多数据流单指令流多数据流SIMD：多媒体指令和向量计：多媒体指令和向量计算机算机多指令流单数据流多指令流单数据流MISD：

12、尚无商用：尚无商用多指令流多数据流多指令流多数据流MIMD：多处理机系统：多处理机系统v指令流指令流：计算机执行的指令序列：计算机执行的指令序列v数据流数据流：由指令流调用的数据序列：由指令流调用的数据序列v多多倍倍性性：同同时时处处于于同同一一执执行行阶阶段段的的指指令令或或数数据据的的最最大数目大数目第13页，此课件共54页哦1.3.1 计算机系统设计的定量原理1.以经常性事件为重点以经常性事件为重点（大概率事件优先原则）（大概率事件优先原则）对经常发生的情况采用优化的方法对经常发生的情况采用优化的方法加快经常性事件的速度加快经常性事件的速度对于最常见事件赋予优先的处理权和资源使用权对于最

13、常见事件赋予优先的处理权和资源使用权2.阿姆达尔（阿姆达尔（Amdahl）定律）定律定义系统性能的加速比（定义系统性能的加速比（Speedup），用于计算），用于计算系统中的某个部分进行改进后，系统总体性能可获系统中的某个部分进行改进后，系统总体性能可获得多大的提高得多大的提高第14页，此课件共54页哦加速比1可改进比例可改进比例Fe改进前，可改进部分占原执行时间的比例改进前，可改进部分占原执行时间的比例部件加速比部件加速比Se改进后，可改进部分改进后性能提高比改进后，可改进部分改进后性能提高比第15页，此课件共54页哦加速比2v改进前改进前v改进后改进后未改进比例：未改进比例：1Fe改进比例

14、：改进比例：FeFe/Se未改进部分未改进部分未改进比例：未改进比例：1Fe第16页，此课件共54页哦加速比3当当Fe（可改进比例）很小甚至（可改进比例）很小甚至0时：时：Sn1 当当Se（部件加速比）很大甚至（部件加速比）很大甚至时：时：Sn：系统加速比：系统加速比To：采用改进措施前执行该任务所用的时间：采用改进措施前执行该任务所用的时间Tn：采用改进措施后执行该任务所用的时间：采用改进措施后执行该任务所用的时间第17页，此课件共54页哦例 1.1将将某某一一功功能能的的处处理理速速度度提提高高到到原原来来的的20倍倍，该该功功能能的的原原处处理理时时间间仅仅占占整整个个运运行行时时间间的

15、的40%，则则采采用用此此提提高高性性能能的的方方法法后后，能能使使整整个个系系统统的的性性能能提高多少？提高多少？解：由题意可知：解：由题意可知：Fe=0.4,Se=20根据根据Amdahl定律，加速比为：定律，加速比为：第18页，此课件共54页哦例 1.2某某计计算算机机系系统统采采用用浮浮点点运运算算部部件件后后，使使浮浮点点运运算算速速度度提提高高到到原原来来的的20倍倍，而而系系统统运运行行某某一一程程序序的的整整体体性性能能提提高高到原来的到原来的5倍，计算该程序中浮点操作所占的比例。倍，计算该程序中浮点操作所占的比例。解：由题意可知：解：由题意可知：Se=20，Sn=5 根据根据

16、Amdahl定律：定律：v可改进比例可改进比例Fe=84.2%第19页，此课件共54页哦3.CPU性能公式第i类指令在总程序中占的比例第20页，此课件共54页哦CPU性能的影响因素CPU时间时间ICCPI时钟周期长度时钟周期长度CPI时钟周期时钟周期指令条数指令条数IC程序程序编译程序编译程序计算机组织计算机组织实现技术实现技术指令集结构指令集结构ISA 第21页，此课件共54页哦补充例题v假假设设在在一一般般程程序序中中浮浮点点开开平平方方操操作作FPSQR所所占占的的比比例例为为2%，它它的的CPI为为100；其其他他浮浮点点操操作作FP所所占占的的比比例例为为23%，它它的的CPI4.0

17、；其其余余75%指指令令的的CPI1.33，计计算算该该处处理理机机的的CPI。如如果果FPSQR操作的操作的CPI也为也为4.0，重新计算，重新计算CPI。v解答：解答：CPI11002%423%1.3375%3.92CPI2425%1.3375%2.00v改改进进了了在在用用户户程程序序中中仅仅占占2的的开开平平方方操操作作，整整个机器的等效运算速度提高了近一倍个机器的等效运算速度提高了近一倍第22页，此课件共54页哦例 1.31v有两种条件分支指令的设计方案：有两种条件分支指令的设计方案：CPUA：比较指令设置条件码，条件分支指令测：比较指令设置条件码，条件分支指令测试条件码进行分支试条

18、件码进行分支 CPUB：条件分支指令包括比较、并进行分支：条件分支指令包括比较、并进行分支v两两种种方方案案中中，条条件件分分支支指指令令占占用用2个个时时钟钟周周期期、其其他他指指令令占占用用1个个时时钟钟周周期期。CPUA的的条条件件分分支支指令占指令占20%，比较指令也占，比较指令也占20%。如如果果CPUA的的时时钟钟周周期期比比CPUB快快1.25倍倍，哪哪个个CPU更快？更快？如如果果CPUA的的时时钟钟周周期期比比CPUB快快1.1倍倍，哪哪个个CPU更快？更快？第23页，此课件共54页哦例 1.32v解答：解答：CPIA20%280%11.2CPU时间时间AICA1.2时钟周期

19、时钟周期ACPUB没有独立的比较指令：没有独立的比较指令：ICB 80%ICACPUB条件分支指令所占比例：条件分支指令所占比例：20%80%25%CPIB25%275%11.25CPU时间时间B 80%ICA1.25时钟周期时钟周期B ICA时钟周期时钟周期B 时钟周期时钟周期B 1.25时钟周期时钟周期ACPU时间时间B ICA 1.25时钟周期时钟周期A CPU时间时间A 时钟周期时钟周期B 1.1时钟周期时钟周期ACPU时间时间B ICA 1.1时钟周期时钟周期A CPU时间时间A第24页，此课件共54页哦4.程序的局部性原理程程序序的的顺顺序序执执行行和和程程序序的的循循环环等等原原

20、因因，程程序序往往往往重重复复使用它刚刚使用过的数据和指令使用它刚刚使用过的数据和指令v局部性原理（局部性原理（principle of locality）处处理理器器访访问问存存储储器器时时，所所访访问问的的存存储储单单元元在在一一段段时时间间内内都都趋趋向于一个较小的连续区域中向于一个较小的连续区域中v时时间间局局部部性性：程程序序即即将将用用到到的的信信息息很很可可能能就就是是目目前前正正在在使使用用的的信信息息（近近期期被被访访问问的的程程序序，很很可可能能不不久久又又将将再再次次被被访访问）问）v空空间间局局部部性性：程程序序即即将将用用到到的的信信息息很很可可能能与与目目前前正正在

21、在使使用用的的信信息息在在空空间间上上相相邻邻或或者者临临近近（地地址址上上相相邻邻近近的的程序可能会被连续的访问）程序可能会被连续的访问）第25页，此课件共54页哦求平均值函数的局部性long mean(long d,long num)long mean(long d,long num)long i,temp=0;long i,temp=0;for(i=0;inum;i+)temp=temp+di;for(i=0;inum;i+)temp=temp+di;temp=temp/num;temp=temp/num;return(temp);return(temp);时间局部时间局部空间局部空间局

22、部时间局部和空间局部时间局部和空间局部第26页，此课件共54页哦1.3.2 计算机系统的性能评测v最初：最初：执行单项操作的时间执行单项操作的时间，例如：加法操作时间，例如：加法操作时间v改进为：改进为：平均指令执行时间平均指令执行时间v进一步成为容易理解的：进一步成为容易理解的：每秒百万条指令每秒百万条指令（Million Instructions Per Second）v同时出现：同时出现：MFLOPS（每秒百万浮点操作）每秒百万浮点操作）v最终形成：最终形成：测试程序测试程序（Benchmarks）第27页，此课件共54页哦1.执行时间和吞吐率v使用者：减少使用者：减少执行时间执行时间（

23、execution time）程序从开始执行到结束执行所用的时间程序从开始执行到结束执行所用的时间v管理员：增大管理员：增大吞吐率吞吐率（throughput）流量）流量单位时间内完成的总任务量单位时间内完成的总任务量v衡量性能最可靠的标准：真实程序的执行时间衡量性能最可靠的标准：真实程序的执行时间相同的任务，花费的时间越少、速度越快、性能相同的任务，花费的时间越少、速度越快、性能越高，区别在于是单任务（关注执行时间）还是越高，区别在于是单任务（关注执行时间）还是多任务（关注吞吐率）多任务（关注吞吐率）vX的速度是的速度是Y的的n倍：倍：第28页，此课件共54页哦CPU时间与CPU性能v真实程

24、序的执行时间真实程序的执行时间CPU时间时间I/O操作等时间操作等时间vCPU时间时间用户用户CPU时间时间系统系统CPU时间时间vCPU性能性能对应用户对应用户CPU时间时间时间越少，性能越高时间越少，性能越高第29页，此课件共54页哦2.基准测试程序（benchmark）1.核心测试程序核心测试程序Livermore Loops和和Linpack2.小型测试程序小型测试程序Quicksort，Puzzle和和Sieve3.合成测试程序合成测试程序Whetstone和和Dhrystonev 真实应用程序真实应用程序v 修正的（或者脚本化）应用程序修正的（或者脚本化）应用程序第30页，此课件共

25、54页哦基准测试程序组件SPECvStandard Performance Evaluation Corporationhttp:/www.spec.orgvSPEC89SPEC92SPEC95SPEC200012个整数基准程序（个整数基准程序（CINT2000）14个浮点基准程序（个浮点基准程序（CFP2000）vWinBench 99 and Winstone 2004http:/WinBench 99：measures the performance of a PCs graphics,disk,processor,and video subsystems Business Winsto

26、ne 2004：application-based benchmark that measures a PCs overall performance第31页，此课件共54页哦CINT2000BenchmarkLanguageDescriptions164.gzip CCompression 175.vpr CFPGA Circuit Placement and Routing 176.gcc CC Programming Language Compiler 181.mcf CCombinatorial Optimization 186.crafty CGame Playing:Chess 1

27、97.parser CWord Processing 252.eon C+Computer Visualization 253.perlbmk CPERL Programming Language 254.gap CGroup Theory,Interpreter 255.vortex CObject-oriented Database 256.bzip2 CCompression 300.twolf CPlace and Route Simulator第32页，此课件共54页哦CFP2000BenchmarkLanguageDescriptions168.wupwiseFortran 77P

28、hysics/Quantum Chromodynamics171.swimFortran 77Shallow Water Modeling 172.mgridFortran 77Multi-grid Solver:3D Potential Field 173.appluFortran 77Parabolic/Elliptic Partial Differential Equations177.mesaC3-D Graphics Library 178.galgelFortran 90Computational Fluid Dynamics 179.artCImage Recognition/N

29、eural Networks 183.equakeCSeismic Wave Propagation Simulation 187.facerecFortran 90Image Processing:Face Recognition 188.ammpCComputational Chemistry 189.lucasFortran 90Number Theory/Primality Testing191.fma3dFortran 90Finite-element Crash Simulation 200.sixtrackFortran 77High Energy Nuclear Physics

30、 Accelerator Design301.apsiFortran 77Meteorology:Pollutant Distribution第33页，此课件共54页哦SPEC示例1第34页，此课件共54页哦SPEC示例2Performance relative to a Sun Ultra5_10(300 MHz)which is given a score of SPECint2000 =SPECfp2000=100第35页，此课件共54页哦SPEC示例3第36页，此课件共54页哦3.性能比较v总执行时间总执行时间v加权执行时间（加权执行时间（Weighted Execution Time

31、）v规格化执行时间（规格化执行时间（Normalized Execution Time）计算机A计算机B计算机C程序P1(s)11020程序P2(s)100010020总时间(s)100111040第37页，此课件共54页哦 总执行时间 v平均总执行时间算术平均值平均总执行时间算术平均值Ti：第：第i个测试程序所需的时间个测试程序所需的时间第38页，此课件共54页哦 加权执行时间 v加权平均执行时间加权算术平均值加权平均执行时间加权算术平均值Ti：第：第i个测试程序所需的时间个测试程序所需的时间Wi：第：第i个测试程序所占的比重个测试程序所占的比重第39页，此课件共54页哦 规格化执行时间 v

32、平平均均规规格格化化执执行行时时间间可可以以表表示示成成算算术术平平均均值值Am，也可以表示成几何平均值，也可以表示成几何平均值Gmv等等时时加加权权：按按照照一一个个参参考考机机器器进进行行规规格格化化（归归一一化化），使使每每个个程程序序在在该该机机器器上上的的执执行时间相同行时间相同第40页，此课件共54页哦运行程序运行程序P1时，时，A的速度是的速度是B的的10倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，B的速度是的速度是A的的10倍；倍；运行程序运行程序P1时，时，A的速度是的速度是C的的20倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，C的速度是的速度是A的的50倍；倍；运行程序运行程序P1时，时，

33、B的速度是的速度是C的的2倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，C的速度是的速度是B的的5倍。倍。第41页，此课件共54页哦算术平均：算术平均：程序程序P1和和P2各执行各执行1次，次，B的速度是的速度是A的的9.1倍；倍；程序程序P1和和P2各执行各执行1次，次，C的速度是的速度是A的的25倍；倍；程序程序P1和和P2各执行各执行1次，次，C的速度是的速度是B的的2.75倍。倍。结论：结论：执行程序执行程序P1和和P2相同次数，相同次数，机器机器A最慢，机器最慢，机器C最快最快 算术平均速度：算术平均速度：三台机器的速度之比为：三台机器的速度之比为：A：B：C=1：9.1：25 第42页，此课

34、件共54页哦加权算术平均加权算术平均加权算术平均加权算术平均W1三台机器的速度：三台机器的速度：A B C加权算术平均加权算术平均W2三台机器的速度：三台机器的速度：A C B加权算术平均加权算术平均W3三台机器的速度：三台机器的速度：C B A机器A机器B机器C程序P1执行时间(s)程序P2执行时间(s)加权W1(0.5,0.5)加权W2(0.909,0.091)加权W3(0.999,0.001)1 1000500.50 91.91 2.00 10 10055.0018.1910.09 20 2020.0020.0020.00第43页，此课件共54页哦几何平均几何平均几何平均值与所参考的机器

35、无关：几何平均值与所参考的机器无关：机机器器A与与机机器器B的的性性能能相相同同，机机器器C的的执执行行时时间间是是机机器器A或机器或机器B 的的0.63倍倍执行程序执行程序P1和和P2的总时间：的总时间：机器机器A几乎是机器几乎是机器B的的10倍倍规格化执行时间用A规格化A B C用B规格化A B C用C规格化A B C程序P1程序P2算术平均几何平均总时间比1.0 10.0 20.01.0 0.1 0.021.0 5.05 10.011.0 1.0 0.631.0 0.11 0.04 0.1 1.0 2.010.0 1.0 0.25.05 1.0 1.1 1.0 1.0 0.63 9.1

36、1.0 0.36 0.05 0.5 1.050.0 5.0 1.025.03 2.75 1.01.58 1.58 1.025.03 2.75 1.0第44页，此课件共54页哦1.4 计算机系统结构的发展v计算机体系结构发展的计算机体系结构发展的基础基础软件和硬件的等效性软件和硬件的等效性v计算机体系结构发展的计算机体系结构发展的目标目标充分利用硬件技术的发展，使系统达到较高的性充分利用硬件技术的发展，使系统达到较高的性能价格比能价格比v软件和硬件的等效性软件和硬件的等效性由软件实现的功能在原理上可以由硬由软件实现的功能在原理上可以由硬/固件实现固件实现软件和硬软件和硬/固件在性能和成本上是不等

37、效的固件在性能和成本上是不等效的第45页，此课件共54页哦1.4.1 冯诺依曼结构ENIAC冯诺依曼第46页，此课件共54页哦1.冯诺依曼结构的特点v五五大大基基本本部部件件：存存储储器器、运运算算器器、控控制制器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备。以以运运算算器器为为中中心心、由由控控制制器器集集中控制中控制v将将程程序序和和数数据据存存放放在在存存储储器器中中，计计算算机机在在工工作作时时从从存存储储器器取取出出指指令令加加以以执执行行，自自动动完完成成计计算算任任务务。这这就就是是“存存储储程程序序”和和“程程序序控控制制”（简简称称存存储储程序控制）的概念程序控制）的概念v指指令

38、令的的执执行行是是顺顺序序的的，即即一一般般按按照照指指令令在在存存储储器器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现v采采用用二二进进制制形形式式表表示示数数据据和和指指令令。指指令令由由操操作作码码和地址码组成和地址码组成第47页，此课件共54页哦2.对冯诺依曼结构的改进v对输入对输入/输出方式的改进输出方式的改进程序控制，程序控制，DMA，I/O处理机处理机v采用并行处理技术采用并行处理技术操作重叠，并行计算，多机系统操作重叠，并行计算，多机系统v存储器组织结构的发展存储器组织结构的发展累加器，通用寄存器，高速缓冲累加器，通用寄存器，高速缓冲Cach

39、ev指令集的发展指令集的发展复杂指令集计算机复杂指令集计算机(CISC)精简指令集计算机精简指令集计算机(RISC)第48页，此课件共54页哦1.4.2 软件对系统结构的影响v软件兼容软件兼容可以实现可以实现软件的可移植性软件的可移植性一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行，结果由一台计算机移植到另一台计算机上运行，结果相同，差别只是执行时间不同相同，差别只是执行时间不同当前计算机当前计算机时间时间计计算算机机档档次次向上兼容向上兼容向下兼容向下兼容向前兼容向前兼容向后兼容向后兼容低低高高第49页，此课件共54页

40、哦实现可移植性的常用方法1.系列机系列机（family）同一个厂家生产的具有相同的体系结构、但具有同一个厂家生产的具有相同的体系结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机不同组成和实现的一系列不同型号的计算机v兼容机兼容机（compatible machine）不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机2.模拟模拟（simulation）和仿真和仿真（emulation）模拟：软件方法虚拟另一台计算机的指令集模拟：软件方法虚拟另一台计算机的指令集仿真：微程序解释另一台计算机的指令集仿真：微程序解释另一台计算机的指令集3.统一高级语言统一高级语言第50页

41、，此课件共54页哦1.4.3 器件对系统结构的影响v集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展集成电路生产技术推动了计算机的飞速发展v摩尔定律（摩尔定律（Moores Law）每隔每隔18个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍个月硅片密度（晶体管容量）将翻倍v摩尔定律不会永远持续摩尔定律不会永远持续今后，性能提高更多地得益于计算机系统结构的今后，性能提高更多地得益于计算机系统结构的革新革新多核处理器、并行处理技术多核处理器、并行处理技术v应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力v系统结构经历诞生、发展、成熟到消亡的生命周期系统结构经历诞生、发展、成熟到

42、消亡的生命周期第51页，此课件共54页哦1.5.1 并行性概念v并行性并行性（Parallelism）：）：在在同同一一时时刻刻或或是是同同一一时时间间间间隔隔内内完完成成两两种种或或两两种种以以上上性性质质相相同或不相同的工作同或不相同的工作同时性同时性（Simultaneity）同一时刻发生的并行性同一时刻发生的并行性并发性并发性（Concurrency）同一个时间间隔内发生的并行性同一个时间间隔内发生的并行性v并行性的等级并行性的等级指令内部并行：微操作之间指令内部并行：微操作之间指令级并行（指令级并行（ILP：Instruction Level Parallel）线程级并行（线程级并行

43、（TLP：Thread Level Parallel）过程级（任务级）并行过程级（任务级）并行程序级（作业级）并行程序级（作业级）并行系统级并行，例如分布式系统、多机系统、机群系统系统级并行，例如分布式系统、多机系统、机群系统第52页，此课件共54页哦1.5.2 提高并行性的技术途径v时间重叠时间重叠（Time-interleaving）多多个个过过程程在在时时间间上上相相互互错错开开，轮轮流流重重叠叠地地使使用用同同一一套套硬硬件件设设备的各个部分备的各个部分v资源重复资源重复（Resource-replication）通过重复设置资源（尤其是硬件资源），提高性能通过重复设置资源（尤其是硬件

44、资源），提高性能v资源共享资源共享（Resource-sharing）使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备1.5.3 单机系统中并行性的发展单机系统中并行性的发展指令流水线，部件冗余，分时系统指令流水线，部件冗余，分时系统1.5.4 多机系统中并行性的发展多机系统中并行性的发展异构型多处理机、同构型多处理机、分布式系统异构型多处理机、同构型多处理机、分布式系统第53页，此课件共54页哦第1章教学内容v计算机系统的层次结构，系统结构的分类计算机系统的层次结构，系统结构的分类v计算机系统结构、组成和实现，虚拟和透明计算机系统结构、组成和实现，虚拟和透明v以以经经常常性性事事件件为为重重点点原原则则、阿阿姆姆达达尔尔定定律律、程程序序的局部性原理的局部性原理v加速比计算加速比计算vCPU性能公式性能公式v执行时间、吞吐率、基准评测程序，执行时间、吞吐率、基准评测程序，SPECv冯冯诺依曼结构及其改进诺依曼结构及其改进v软件兼容和可移植性、系列机和兼容机软件兼容和可移植性、系列机和兼容机v并行性、并行性的等级、提高并行性的方法并行性、并行性的等级、提高并行性的方法END习题习题1：1.6，1.7第54页，此课件共54页哦