计算机体系结构基础.ppt

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1、Computer System ArchitectureComputer System Architecture 第1章 计算机系统结构的基本概念张云春张云春云南大学软件学院(Source:张晨曦计算机体系结构)1Computer System ArchitectureComputer System Architecture1.1 引言1.2 计算机系统结构的概念1.3 定量分析技术1.4 计算机系统结构的发展1.5 计算机系统结构中并行性的发展2Computer System Architecture第一台通用电子计算机诞生于1946年 计算机技术的飞速发展得益于两个方面 计算机制造技术的发

2、展 计算机系统结构的创新经历了4个发展过程 31.1 1.1 引引 言言Computer System ArchitectureComputer System Architecture时 间原 因每年的性能增长19461946年起的年起的2525年年 两种因素都起着主要的作用两种因素都起着主要的作用 25%25%2020世纪世纪7070年代末年代末8080年代初年代初 大规模集成电路和微处理器大规模集成电路和微处理器出现出现,以集成电路为代表的制以集成电路为代表的制造技术的发展造技术的发展 约约35%35%2020世纪世纪8080年代中开年代中开始始 RISCRISC结构的出现，系统结构不断结

3、构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展更新和变革，制造技术不断发展50%50%以上以上维持了约维持了约1616年年 20022002年以来年以来 功耗问题（已经很大）功耗问题（已经很大）;可以进一步有效开发的指令级并可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少行性已经很少;存储器访问速度的提高缓慢存储器访问速度的提高缓慢 约约20%20%41.1 1.1 引引 言言Computer System Architecture系系统结构的重大构的重大转折：折：从从单纯依靠指令依靠指令级并行并行转向开向开发线程程级并行和数据并行和数据级并行。并行。计算机系算机系统结构在构在计算机的算机的发展中

4、有着极其重要的作用。展中有着极其重要的作用。51.1 1.1 引引 言言Computer System Architecture计算机系统硬件/固件软件计算机语言从低级向高级发展 高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。每一层以一种语言为特征 61.2 1.2 计算机系统结构的概念计算机系统结构的概念1.2.1 计算机系统的层次结构软软 件件硬件或固件硬件或固件微指令由硬件直接执行由微指令程序解释机器指令一般用机器语言程序解释作业控制语句汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序高级语言程序经编译

5、程序翻译成汇编语言（或是某种中间语言程序，或是机器语言程序）应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序7Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念 虚拟机：由软件实现的机器 语言实现的两种基本技术翻译：先把N+1级程序全部转换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。区别：p是否生成目标代码。p解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。8Computer System

6、Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念计算机系统结构的经典定义程序员的角度所看到的计算机系统的属性，即概念性概念性结构构与功能特性功能特性。（C.M.Amdahl,1964）按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。透明性透明性在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。91.2.2 计算机系统结构的定义Computer System Architecture艺术和和结构构有何不同？有何不同？10Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结

7、构的概念构的概念广广义的系统结构定义：指令集指令集结构、构、组成、硬件成、硬件（计算机设计的3个方面）对于通用寄存器型机器通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指：指令系统 包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等。数据表示 硬件能直接识别和处理的数据类型。寻址规则 包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。11Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）存储系统（主存容量、程序员可用的最大存

8、储容量等）信息保护（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）I/O结构包括I/O连结方式、处理机/存储器与I/O设备之间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等12Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念计算机系统结构概念的实质：确定确定计算机系算机系统中中软、硬件的界面、硬件的界面界面之上是界面之上是软件件实现的功能的功能界面之下是硬件和固件界面之下是硬件和固件实现的功能的功能131.2.3 计算机组成和计算机实现1.计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。Computer

9、System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念2.计算机算机组成成：计算机系统结构的逻辑实现包含物理机器包含物理机器级中的数据流和控制流的中的数据流和控制流的组成以及成以及 逻辑设计等。等。着眼于：物理机器着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制内各事件的排序方式与控制 方式、各部件的功能以及各部件之方式、各部件的功能以及各部件之间的的联系。系。3.计算机算机实现：计算机组成的物理物理实现包括包括处理机、主存等部件的物理理机、主存等部件的物理结构，器件的集构，器件的集 成度和速度，模成度和速度，模块、插件、底板的划分与、插件、底板的划分与连接，接，信

10、号信号传输，电源、冷却及整机装配技源、冷却及整机装配技术等。等。着眼于：器件技着眼于：器件技术（起主（起主导作用）、微作用）、微组装技装技术。14Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念 一种体系一种体系结构可以有多种构可以有多种组成。成。一种一种组成可以有多种物理成可以有多种物理实现。4.系列机由同一厂家生由同一厂家生产的具有相同系的具有相同系统结构、但构、但具有不同具有不同组成和成和实现的一系列不同型号的的一系列不同型号的计算机。算机。例如，IBM公司的IBM 370系列，Intel公司的x86系列等。15Computer

11、System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念常见的计算机系统结构分类法有两种：1.冯氏分氏分类法法p用系用系统的最大并行度的最大并行度对计算机算机进行分行分类。p最大并行度：最大并行度：计算机系算机系统在在单位位时间内能内能够处理的理的最大的二最大的二进制位数。制位数。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横坐标表示字宽（n位），纵坐标表示一次能同时处理的字数（m 字）。mn 就表示了其最大并行度。161.2.4 计算机系统结构的分类Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念1

12、.Flynn分分类法法 p按照指令流和数据流的多倍性按照指令流和数据流的多倍性进行分行分类。p指令流：指令流：计算机算机执行的指令序列。行的指令序列。p数据流：数据流：由指令流由指令流调用的数据序列。用的数据序列。p多倍性：多倍性：在系在系统受限的部件上，同受限的部件上，同时处于同一于同一执行行阶段的指令或数据的最大数目段的指令或数据的最大数目17Computer System Architecture1.2 1.2 计算机系算机系统结构的概念构的概念Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流

13、(MIMD)4类计算机的基本结构IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流，CU：控制部件，PU：处理部件，MM和SM：存储器。1819Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术4 4个个定量原理：定量原理：1.大概率事件大概率事件优先原先原则对经常常发生的情况采用生的情况采用优化方法的原化方法的原则进行行选择，以得到更多的，以得到更多的总体上的改体上的改进。优化化是指分配更多的是指分配更多的资源、达到更高的性源、达到更高的性能或者分配更多的能或者分配更多的电能等。能等。201.3.1 计算机系统设计的定量原理Computer System A

14、rchitecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术2.Amdahl定律定律 加快某部件加快某部件执行速度所能行速度所能获得的系得的系统性能性能加速比，受限于加速比，受限于该部件的部件的执行行时间占系占系统中中总执行行时间的百分比。的百分比。系统性能加速比：21加速比系统性能改进后系统性能改进前总执行时间改进前总执行时间改进后 Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术加速比依加速比依赖于两个因素于两个因素:可改可改进比例比例：在改在改进前的系前的系统中，可改中，可改进部分的部分的执行行时间在在总的的执行行时间中所占的比例。中所占的比

15、例。它它总是小于等于是小于等于1 1。例如：一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么这个比例就是20/60。部件加速比部件加速比：可改可改进部分改部分改进以后性能提高的倍数。以后性能提高的倍数。它是改它是改进前所需的前所需的执行行时间与改与改进后后执行行时间的比。的比。一般情况下部件加速比是大于一般情况下部件加速比是大于1的。的。例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒，而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。22Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术改进后程序的总执行时间改进后程序的总执行时间总执行时间改进后

16、不可改进部分的执行时间 可改进部分改进后的执行时间总执行时间改进后 (1可改进比例)总执行时间改进前 +(1 可改进比例)+总执行时间改进前 可改进比例部件加速比可改进比例总执行时间改进前部件加速比Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比24加速比 总执行时间改进前总执行时间改进后（1可改进比例）+可改进比例部件加速比1Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术解解 由由题可知，可改可知，可改进比例比例 =40%=0.4=40%=0.4，部件加速比部

17、件加速比 =20=20 根据根据AmdahlAmdahl定律可知：定律可知：采用此提高性能的方法后，能使整个系采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原的性能提高到原来的来的1.6131.613倍倍。25总加速比=10.6+0.420=1.613 例例1.1 1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的2020倍，但该倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%40%，则采用此提高性能的方，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？法后，能使整个系统的性能提高多少？Computer

18、 System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术 例例1.2 1.2 某某计算机系算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的度提高到原来的2020倍，而系倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到运行某一程序的整体性能提高到原来的原来的5 5倍，倍，试计算算该程序中浮点操作所占的比例。程序中浮点操作所占的比例。解解 由由题可知，部件加速比可知，部件加速比 =20=20，系，系统加速比加速比 =5=5 根据根据AmdahlAmdahl定律可知定律可知 由此可得：可改由此可得：可改进比例比例 =84.2%=84.2%即程序中浮点

19、操作所占的比例即程序中浮点操作所占的比例为84.2%84.2%。26Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术AmdahlAmdahl定律定律：一种性能改一种性能改进的的递减减规则如果如果仅仅对计算任算任务中的一部分做性能改中的一部分做性能改进，则改改进得越多，所得到的得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。体性能的提升就越有限。重要推论：如果只如果只针对整个任整个任务的一部分的一部分进行改行改进和和优化，那么所化，那么所获得的加速比不超得的加速比不超过 1/1/（1 1可改可改进比例）比例）27Computer System Archite

20、cture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术3.CPU性能公式性能公式p执行一个程序所需的行一个程序所需的CPUCPU时间CPUCPU时间=执行程序所需的行程序所需的时钟周期数周期数时钟周期周期时间 其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。p每条指令每条指令执行的平均行的平均时钟周期数周期数CPI（Cycles Per Instruction）CPI=CPI=执行程序所需的行程序所需的时钟周期数周期数ICIC IC：所执行的指令条数p程序程序执行的行的CPU时间可以写成可以写成 CPUCPU时间=IC CPIIC CPI 时钟周期周期时间 28Computer System Archite

21、cture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术CPUCPU的性能取决于的性能取决于3个参数个参数时钟周期周期时间：取决于硬件取决于硬件实现技技术和和计算机算机组成。成。CPICPI：取决于取决于计算机算机组成和指令集成和指令集结构。构。ICIC：取决于指令集取决于指令集结构和构和编译技技术。对CPUCPU性能公式性能公式进行行进一步一步细化化 假假设：计算机系算机系统有有n n种指令；种指令；CPICPIi i ：第第i i种指令的种指令的处理理时间；ICICi i ：在程序中第在程序中第i i种指令出种指令出现的次数；的次数；则 CPUCPU时钟周期数周期数 =(CPI(CPIi i IC

22、 ICi i)29n ni i=1=1Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术CPUCPU时间=执行程序所需的行程序所需的时钟周期数周期数时钟周期周期时间 =（CPICPIi iICICi i）时钟周期周期时间CPICPI表表示示为CPI CPI=其中，其中，(IC(ICi i/IC/IC)反映了第反映了第i i种指令在程序中所占的比例。种指令在程序中所占的比例。30i i=1=1n n时钟周期数IC（CPIiICi）i=1nIC（CPIi ）i=1nICiICComputer System Architecture1.3 1.3 定量分析

23、技定量分析技术例例1.3 1.3 考考虑条件分支指令的两种不同条件分支指令的两种不同设计方法：方法：（1 1）CPUCPUA A：通通过比比较指令指令设置条件置条件码，然后，然后测试条件条件码进行分支。行分支。（2 2）CPUCPUB B：在分支指令中包括比在分支指令中包括比较过程。程。在在这两种两种CPUCPU中，条件分支指令都占用中，条件分支指令都占用2 2个个时钟周期，而所有周期，而所有其他指令占用其他指令占用1 1个个时钟周期。周期。对于于CPUCPUA A，执行的指令中分支指令占行的指令中分支指令占20%20%；由于每条分支指令之前都需要有比；由于每条分支指令之前都需要有比较指令，因

24、此比指令，因此比较指令也指令也占占20%20%。由于。由于CPUCPUA A在分支在分支时不需要比不需要比较，因此，因此CPUCPUB B的的时钟周期周期时间是是CPUCPUA A的的1.251.25倍。倍。问：哪一个：哪一个CPUCPU更快？如果更快？如果CPUCPUB B的的时钟周期周期时间只是只是CPUCPUA A的的1.11.1倍，哪一个倍，哪一个CPUCPU更快呢？更快呢？31Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术 解解 我我们不考不考虑所有系所有系统问题，所以可用，所以可用CPUCPU性能公式。占用性能公式。占用2 2个个时钟

25、周期的分支指令占周期的分支指令占总指令的指令的20%20%，剩下的指令占用，剩下的指令占用1 1个个时钟周期。周期。所以所以 CPICPIA A=0.2 =0.2 2+0.80 2+0.80 1=1.2 1=1.2则CPUCPUA A性能性能为 总CPUCPU时间A A=IC=ICA A 1.2 1.2 时钟周期周期A A根据假根据假设，有，有 时钟周期周期B B=1.25 =1.25 时钟周期周期A A 在在CPUCPUB B中没有独立的比中没有独立的比较指令，所以指令，所以CPUCPUB B的程序量的程序量为CPUCPUA A的的80%80%，分支指令的比例，分支指令的比例为32Compu

26、ter System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术 20%/80%=25%20%/80%=25%这些分支指令占用些分支指令占用2 2个个时钟周期，而剩下的周期，而剩下的75%75%的指令占用的指令占用1 1个个时钟周期，因此周期，因此 CPICPIB B=0.25 =0.25 2+0.75 2+0.75 1=1.25 1=1.25因因为CPUCPUB B不不执行比行比较，故，故 ICICB B=0.8 =0.8 IC ICA A因此因此CPUCPUB B性能性能为 总CPUCPU时间B B=IC=ICB B CPI CPIB B 时钟周期周期B B =0.8

27、=0.8 ICICA A 1.25 1.25（1.25 1.25 时钟周期周期A A）=1.25=1.25 ICICA A 时钟周期周期A A33Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术 在在这些假些假设之下，尽管之下，尽管CPUCPUB B执行指令条数行指令条数较少，少，CPUCPUA A因因为有着更有着更短的短的时钟周期，所以比周期，所以比CPUCPUB B快。快。如果如果CPUCPUB B的的时钟周期周期时间仅仅是是CPUCPUA A的的1.11.1倍，倍，则 时钟周期周期B B=1.10 =1.10 时钟周期周期A ACPUCPUB

28、 B的性能的性能为 总CPUCPU时间B B=IC=ICB B CPICPIB B 时钟周期周期B B =0.8=0.8 ICICA A 1.25 1.25（1.10 1.10 时钟周期周期A A）=1.10=1.10 IC ICA A 时钟周期周期A A 因此因此CPUCPUB B由于由于执行更少指令条数，比行更少指令条数，比CPUCPUA A运行更快。运行更快。34Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术4.程序的局部性原理程序的局部性原理 程序程序执行行时所所访问的存的存储器地址分布不是随机的，器地址分布不是随机的，而是相而是相对地簇

29、聚。地簇聚。常用的一个常用的一个经验规则程序执行时间的90%都是在执行程序中10%的代码。程序的程序的时间局部性局部性程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的程序的空空间局部性局部性 程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。35Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术执行行时间和吞吐率和吞吐率 如何如何评测一台一台计算机的性能，与算机的性能，与测试者看者看问题的角度有关。的角度有关。用用户关心的是：关心的是：单个程序的个程序的执行行时间（执行行单个程序所花的个程序所花的时间很少）很少）数据数据处理中心

30、的管理理中心的管理员关心的是：关心的是：吞吐率吞吐率（在（在单位位时间里能里能够完成的任完成的任务很多很多）361.3.2 计算机系统的性能评测Computer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术假设两台计算机为X和Y，X比Y快的意思是：对于给定任务，X的执行时间比Y的执行时间少。X的性能是Y的n倍，即而执行时间与性能成反比，即 37执行时间Y执行时间X=nn=执行时间Y执行时间X性能Y1性能X1性能X性能YComputer System Architecture1.3 1.3 定量分析技定量分析技术执行行时间可以有多种定可以有多种定义：计算机完成某一

31、任算机完成某一任务所花所花费的全部的全部时间，包括，包括磁磁盘访问、存存储器器访问、输入入/输出、操作系出、操作系统开开销等。等。CPU时间：CPUCPU执行所行所给定的程序所花定的程序所花费的的时间，不包含，不包含I/OI/O等待等待时间以及运行其他程序的以及运行其他程序的时间。用用户CPUCPU时间：用用户程序所耗程序所耗费的的CPUCPU时间。系系统CPUCPU时间：用用户程序运行期程序运行期间操作系操作系统耗耗费的的CPUCPU时间。38Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展1.4.1 冯诺依曼结构 39存储程序

32、计算机的结构存储程序计算机的结构 Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展1.存存储程序原理的基本点：程序原理的基本点：指令指令驱动程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。2.冯诺依曼依曼结构的主要特点构的主要特点以运算器以运算器为中心。中心。在存在存储器中，指令和数据同等器中，指令和数据同等对待。待。指令和数指令和数据一据一样可以可以进行运算，即由指令行运算，即由指令组成的程序是可以成的程序是可以修改的。修改的。存存储器是按地址器是按地址访问、按、按顺

33、序序线性性编址的一址的一维结 构，每个构，每个单元的位数是固定的。元的位数是固定的。40Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展指令的指令的执行是行是顺序序的。的。一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行。程序的分支由转移指令实现。由指令计数器PC指明当前正在执行的指令在存储器 中的地址。指令由指令由操作操作码和和地址地址码组成。成。指令和数据均以指令和数据均以二二进制制编码表示，采用二表示，采用二进制制运算。运算。41Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展3.对系统

34、结构进行的改进对系统结构进行的改进输入输入/输出方式的改进输出方式的改进采用并行处理技术采用并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？如何挖掘传统机器中的并行性？在不同的级别采用并行技术。在不同的级别采用并行技术。例如，微操作级、指令级、线程级、进程级、任务级等。例如，微操作级、指令级、线程级、进程级、任务级等。Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展存存储器器组织结构的构的发展展相相联存存储器与相器与相联处理机理机通用寄存器通用寄存器组高速高速缓冲存冲存储器器CacheCache指令集的指令集的发展展 两个两个发展方向：展方向：

35、复复杂指令集指令集计算机（算机（CISCCISC）精减指令集精减指令集计算机（算机（RISCRISC）43Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展软件的可移植性：件的可移植性：一个一个软件可以不件可以不经修改或修改或者只需少量修改就可以由一台者只需少量修改就可以由一台计算机移植到算机移植到另一台另一台计算机上正确地运行。差算机上正确地运行。差别只是只是执行行时间的不同。我的不同。我们称称这两台两台计算机是算机是软件兼件兼容容的。的。实现可移植性的常用方法可移植性的常用方法 采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言。441.4.2 软件

36、对系统结构的影响 Computer System Architecture1.系列机系列机 由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。成和实现的一系列不同型号的机器。较好地解决软件开发要求系统结构相对稳定与器 件、硬件技术迅速发展的矛盾。软件兼容软件兼容1.4 1.4 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展向上（下）兼容：向上（下）兼容：按某档机器按某档机器编制的程序，不加修制的程序，不加修改就能运行于比

37、它高（低）档的机器。改就能运行于比它高（低）档的机器。向前（后）兼容：向前（后）兼容：按某个按某个时期投入市期投入市场的某种型号的某种型号机器机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市（后）投入市场的机器。的机器。向后兼容是系列机的根本特征。向后兼容是系列机的根本特征。兼容机：兼容机：由不同公司厂家生由不同公司厂家生产的具有相同系的具有相同系统结构的构的计算机算机。46Computer System Architecture1.4 1.4 计算机系算机系统结构的构的发展展1.摩摩尔定律定律集成集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔路芯片上所集成

38、的晶体管数目每隔1818个月就个月就翻一番。翻一番。2.计算机的分代主要以器件作算机的分代主要以器件作为划分划分标准。准。它它们在器件、系在器件、系统结构和构和软件技件技术等方面都有各等方面都有各 自的特征。自的特征。SMPSMP：对称式共享存称式共享存储器多器多处理机理机 MPPMPP：大：大规模并行模并行处理机理机 471.4.3 器件发展对系统结构的影响 Computer System Architecture1.并行性：并行性：计算机系算机系统在同一在同一时刻或者同一刻或者同一时间间隔内隔内进行多种运算或操作。行多种运算或操作。只要在只要在时间上相互重叠，就存在并行性。上相互重叠，就存

39、在并行性。同同时性：性：两个或两个以上的事件在同一两个或两个以上的事件在同一时刻刻发生。生。并并发性：性：两个或两个以上的事件在同一两个或两个以上的事件在同一时间间隔内隔内发生。生。481.5 1.5 计算机系统结构中并行性的发展计算机系统结构中并行性的发展1.5.1 并行性的概念 Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展2.从从处理数据的角度来看，理数据的角度来看，并行性等并行性等级从低到高可分从低到高可分为：字串位串：字串位串：每次只每次只对一个字的一位一个字的一位进行行处理。理。最基本的串行处理方式，不存在并

40、行性。字串位并：同字串位并：同时对一个字的全部位一个字的全部位进行行处理，不同字之理，不同字之间是串行的。是串行的。开始出现并行性。字并位串：同字并位串：同时对许多字的同一位（称多字的同一位（称为位片）位片）进行行处理。理。具有较高的并行性。全并行：同全并行：同时对许多字的全部位或部分位多字的全部位或部分位进行行处理。理。最高一级的并行。49Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展3.从从执行程序的角度来看，并行性等行程序的角度来看，并行性等级从低到高分从低到高分为：指令内部并行：指令内部并行：单条指令中各微操作之

41、条指令中各微操作之间的并行。的并行。指令指令级并行：并行：并行并行执行两条或两条以上的指令。行两条或两条以上的指令。线程程级并行：并行：并行并行执行两个或两个以上的行两个或两个以上的线程。程。通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。任任务级或或过程程级并行：并行：并行并行执行两个或两个以上行两个或两个以上 的的过程或任程或任务（程序段）（程序段）以子程序或进程为调度单元。作作业或程序或程序级并行：并行：并行并行执行两个或两个以上的作行两个或两个以上的作业或或程序。程序。50Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展

42、展1.时间重叠重叠引入引入时间因素，因素，让多个多个处理理过程在程在时间上相互上相互错开，开，轮流重叠地使用同一套硬件流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以的各个部分，以加快硬件周加快硬件周转而而赢得速度。（流水得速度。（流水线技技术）2.资源重复源重复引入空引入空间因素，以数量取因素，以数量取胜。通。通过重复重复设置硬件置硬件资源，大幅度地提高源，大幅度地提高计算机系算机系统的性能。（多的性能。（多处理机）理机）3.资源共享源共享这是一种是一种软件方法，它使多个任件方法，它使多个任务按一定按一定时间顺序序轮流使用同一套硬件流使用同一套硬件设备。（网（网络打印技打印技术）511.5.2 提高

43、并行性的技术途径 Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展在在发展高性能展高性能单处理机理机过程中，起主程中，起主导作用的作用的是是时间重叠重叠原理。原理。实现时间重叠的基重叠的基础：部件功能部件功能专用化用化p把一件工作按功能分割把一件工作按功能分割为若干相互若干相互联系的部分；系的部分；p把每一部分指定把每一部分指定给专门的部件完成；的部件完成；p按按时间重叠原理把各部分的重叠原理把各部分的执行行过程在程在时间上上重叠起来，使所有部件依次分工完成一重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同同样的工作。的工作。521

44、.5.3 单机系统中并行性的发展 Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展例如：例如：对于解释指令的对于解释指令的5 5个过程，就分别需要个过程，就分别需要5 5个专用的部件：取指令部件个专用的部件：取指令部件(IF)(IF)、指令译码部件、指令译码部件 (ID)(ID)、指令执行部件、指令执行部件(EX)(EX)、访问存储器部件、访问存储器部件(M)(M)和写结果部件和写结果部件(WB)(WB)。Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展

45、展2.在在单处理机中，理机中，资源重复原理的运用也已源重复原理的运用也已经十分普遍。十分普遍。多体存多体存储器器多操作部件多操作部件p通用部件被分解成若干个通用部件被分解成若干个专用部件，如加法部件、用部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、乘法部件、除法部件、逻辑运算部件等，而且同运算部件等，而且同一种部件也可以重复一种部件也可以重复设置多个。置多个。p只要指令所需的操作部件空只要指令所需的操作部件空闲，就可以开始，就可以开始执行行这条指令（如果操作数已准条指令（如果操作数已准备好的好的话）。）。p这实现了了指令指令级并行并行。54Computer System Architecture阵列列

46、处理机（并行理机（并行处理机）理机）更更进一步，一步，设置置许多相同的多相同的处理理单元，元，让它它们在在同一个控制器的指同一个控制器的指挥下，按照同一条指令的要求，下，按照同一条指令的要求，对向量或数向量或数组的各元素同的各元素同时进行同一操作，就形行同一操作，就形成了成了阵列列处理机理机。3.在在单处理机中，理机中，资源共享的概念源共享的概念实质上是用上是用单处理机模理机模拟多多处理机的功能，形成所理机的功能，形成所谓虚虚拟机机的概念。的概念。分分时系系统551.5 1.5 计算机系统结构中并行性的发展计算机系统结构中并行性的发展Computer System Architecture1.

47、5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展1.多机系多机系统遵循遵循时间重叠、重叠、资源重复、源重复、资源共享原理，源共享原理，发展展为3 3种不同的多种不同的多处理机：理机：同构型多同构型多处理机、异构型多理机、异构型多处理机、分布式系理机、分布式系统2.耦合度耦合度反映多机系反映多机系统中各机器之中各机器之间物理物理连接的接的紧密程度和交互作用能密程度和交互作用能力的力的强弱。弱。紧密耦合系密耦合系统（直接耦合系（直接耦合系统）：）：在在这种系种系统中，中，计算机之算机之间的物理的物理连接的接的频带较高，一般是通高，一般是通过总线或高速开关互或高速开关互连，可以，可以共享

48、主存。共享主存。561.5.4 多机系统中并行性的发展 Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展松散耦合系松散耦合系统（间接耦合系接耦合系统）：）：一般是通一般是通过通道通道或通信或通信线路路实现计算机之算机之间的互的互连，可以共享外存，可以共享外存设备（磁（磁盘、磁、磁带等）。机器之等）。机器之间的相互作用是在的相互作用是在文件或数据集一文件或数据集一级上上进行的。行的。表表现为两种形式：两种形式：多台多台计算机和共享的外存算机和共享的外存设备连接，不同机器之接，不同机器之间实现功能上的分工（功能功能上的分工（功

49、能专用化），机器用化），机器处理理的的结果以文件或数据集的形式送到共享外存果以文件或数据集的形式送到共享外存设备，供其他机器供其他机器继续处理。理。计算机网算机网络，通，通过通信通信线路路连接，接，实现更大范更大范围的的资源共享。源共享。57Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展3.功能功能专用化（用化（实现时间重叠重叠）专用外用外围处理机理机例如，输入/输出功能的分离。专用用处理机理机如数组运算、高级语言翻译、数据库管理等，分离出来。异构型多异构型多处理机系理机系统由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，

50、它们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。58Computer System Architecture1.5 1.5 计算机系算机系统结构中并行性的构中并行性的发展展4.机机间互互连容容错系系统可重构系可重构系统对计算机之间互连网络的性能提出了更高的要求。高带宽、低延迟、低开销的机间互连网络是高效实程序或任务一级并行处理的前提条件。同构型多同构型多处理机系理机系统由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。59Computer System Architecture习题1.1 术语解释1.4 1.