第一章-计算机系统概述讲解ppt课件.ppt

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1、 Chapter 1.114 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。计算机体系结构计算机体系结构主讲：余金森主讲：余金森联系QQ：184611704 Chapter 1.214 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。本课程主要介绍计算机组成与系统结构所涉及的相关概念、理论和技术内容。通过本课程的教学，使学生了解计算机系统的组织结构。掌握计算机软硬件交界面的相互配

2、合与相互弥补思想。了解计算机体系结构中的主要技术和方法。教学目的和要求：教学目的和要求：成绩计算：平时成绩（30%）期末考试（70%）。Chapter 1.314 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。第一讲第一讲 计算机系统概述计算机系统概述计算机发展简史计算机发展简史IAS通用计算机模型机：冯通用计算机模型机：冯.诺依曼结构诺依曼结构 IBM360系列机：引入兼容性（系列机）概念系列机：引入兼容性（系列机）概念DEC PDP-8：引入总线结构：引入总线结构计算机系统的组成计

3、算机系统的组成计算机硬件：计算机硬件：CPU+MM+I/O计算机软件：系统软件计算机软件：系统软件+应用软件应用软件计算机层次结构计算机层次结构计算机硬件和软件的接口：指令系统计算机硬件和软件的接口：指令系统计算机软件如何在硬件上执行计算机软件如何在硬件上执行 Chapter 1.414 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。什么是计算机什么是计算机？计算机是一种能对计算机是一种能对数字化信息数字化信息进行进行自动、高速运算自动、高速运算的通用的通用处理装置。处理装置。计算机的

4、功能：计算机的功能：数据运算、数据存储、数据传送、控制数据运算、数据存储、数据传送、控制计算机的特点：计算机的特点：高速：高速：高速元器件和高速元器件和“存储程序存储程序”工作方式带来高速性工作方式带来高速性通用：体现在处理对象和应用领域没有限制通用：体现在处理对象和应用领域没有限制准确：准确：精度足够的算术运算带来准确性精度足够的算术运算带来准确性智能智能：逻辑推理能力带智能性逻辑推理能力带智能性计算机的功能和特点计算机的功能和特点 Chapter 1.514 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已

5、很少使用，在此不再说明。冯冯诺依曼结构的主要思想诺依曼结构的主要思想1.计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。基本部件组成。2.各基本部件的功能是：各基本部件的功能是：存储器存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；有区别，但计算机应能区分数据还是指令；控制器控制器应能自动执行指令；应能自动执行指令；运算器运算器应能进行加应能进行加/减减/乘乘/除四种基本算术运算，并且也能进除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑

6、运算和附加运算；行一些逻辑运算和附加运算；操作人员可以通过操作人员可以通过输入设备输入设备、输出设备输出设备和主机进行通信。和主机进行通信。3.内部以内部以二进制表示二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。串指令组成程序。4.采用采用“存储程序存储程序”工作方式。工作方式。有的书上1,2是在一条内的。所以一般称为三大内容 Chapter 1.614 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中

7、有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。PC主板主板CPU插座插座内存条内存条PCI总线插槽总线插槽 Chapter 1.714 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。解剖计算机解剖计算机 个人计算机由主个人计算机由主机和外设组成机和外设组成主机中包含主机中包含多个电路板多个电路板每个电路板中有每个电路板中有十几个集成电路十几个集成电路每个集成电路中每个集成电路中有十几个模块有十几个模块每个模块中有每个模块中有上千万个单元上千万个单

8、元每个单元中有每个单元中有十几个门电路十几个门电路每个门电路实现基每个门电路实现基本的逻辑运算本的逻辑运算 所有信息都用二所有信息都用二进制编码表示进制编码表示 Chapter 1.814 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Hardware/Software Interface,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,.temp=vk;vk=vk+1;vk+1=temp;lw

9、$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 00001000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 01001010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 00001010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100 Chapter 1.914 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Hardware/

10、Software Interface（界面）机器语言由指令代码构成，能被硬件直接执行。软件和硬件的界面：软件和硬件的界面：ISA（Instruction Set Architecture）指令集体系结构软件软件硬件硬件 Chapter 1.1014 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Software System software(系统软件系统软件)-简化编程过程，使硬件资源被有效利用简化编程过程，使硬件资源被有效利用 操作系统（操作系统（Operating System）

11、：）：硬件资源管理，用户接口硬件资源管理，用户接口语言处理系统：翻译程序语言处理系统：翻译程序+Linker,Debug,Loader,etc-翻译程序翻译程序(Translator)有三类：有三类：汇编程序汇编程序(Assembler)：将汇编语言源程序翻译为机器语言目将汇编语言源程序翻译为机器语言目标程序文件。标程序文件。编译程序编译程序(Complier)：将高级语言源程序翻译为汇编语言或将高级语言源程序翻译为汇编语言或机器语言目标程序文件。机器语言目标程序文件。解释程序解释程序(Interpreter)：将高级语言语句逐条翻译成机器指将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行。不生成目

12、标文件。令并立即执行。不生成目标文件。其他实用程序其他实用程序:如：磁盘碎片整理程序、备份程序等如：磁盘碎片整理程序、备份程序等Application software(应用软件应用软件)-解决具体应用问题解决具体应用问题/完成具体应用任务完成具体应用任务各类媒体处理程序：各类媒体处理程序：Word/Image/Graphics/管理信息系统管理信息系统(MIS)Game,Chapter 1.1114 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Computer Hierarchy（

13、计算机系统层次）（计算机系统层次）I/OCPUCompilerOperatingSystemApplicationDigital DesignCircuit Design 上图给出的是计算机系统的层次结构上图给出的是计算机系统的层次结构 指令系统（即指令系统（即ISA）是软）是软/硬件的交界面硬件的交界面Instruction Set Architecture不同用户工作在不同层次，所看到的计算机不一样不同用户工作在不同层次，所看到的计算机不一样最最终用用户End User应用程序用程序员Application Programmer系系统管理管理员System Administrator系系统

14、程序程序员System ProgrammerMMAssembler中间阴影部分就是本课程主要内容，处于最核心的部分！中间阴影部分就是本课程主要内容，处于最核心的部分！Chapter 1.1214 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。一个典型系统的硬件组成一个典型系统的硬件组成PC：程序：程序计数器；数器；ALU：算：算术/逻辑单元；元；USB：通用串行：通用串行总线CPUMMInput/Output Chapter 1.1314 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用

15、比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。一个典型程序的转换处理过程一个典型程序的转换处理过程1#include 23 int main()4 5 printf(hello,worldn);6 经典的典的“hello.c”C-源程序源程序#i n c l u d e n n i n t m a i n ()n 104 62 10 10 105 110 116 32 109 97 105 110 40 41 10 123 n p r i n t f (h e l10 32 32 32 32 112 114 105 110 116

16、 102 40 34 104 101 108l o ,w o r l d n );n 108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10 125hello.c的的ASCII文本表示文本表示程序的功能是：程序的功能是：输出出“hello,world”Chapter 1.1414 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。计算机能够直接识计算机能够直接识别别hello.c源程序吗源程序吗？不能，需要转换不能，需要转换为机器语言代码为

17、机器语言代码!即：编译即：编译 Chapter 1.1514 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Hello程序的数据流动过程程序的数据流动过程“hello”Hello可可执行文件行文件Red：shell命令行处理命令行处理Blue：可执行文件加载：可执行文件加载Cyan：hello程序执行过程程序执行过程“hello”“hello,world/n”“hello,world/n”所有过程都是在所有过程都是在CPU执行指令所产生的控制信号的作用下进行的。执行指令所产生的控制信号

18、的作用下进行的。数据经常在各存储部件间传送。故现代计算机大多采用数据经常在各存储部件间传送。故现代计算机大多采用“缓存缓存”技术！技术！unix./hellohello,worldunixEnter Chapter 1.1614 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。该课程的主要学习内容该课程的主要学习内容信息（指令和数据）在信息（指令和数据）在计算机中如何表示？算机中如何表示？指令系指令系统如何如何设计？如何如何设计高性能高性能CPU?如何如何设计存存储器系器系统？如何如何设

19、计I/O?如何如何设计总线BUS?Chapter 1.1714 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Course Outline性能评价（性能评价（Performance measurement）计算机算术（计算机算术（Arithmetic for Computer）数据的表示和运算数据的表示和运算存储器层次结构（存储器层次结构（Memory Hierarchies）指令集体系结构（指令集体系结构（Instruction Set Architecture）CPU设计设计数据通

20、路数据通路(Data path)和控制器和控制器(Control Unit)流水线技术流水线技术(Pipelining)系统总线系统总线（System Buses）输入输入/输出系统（输出系统（Input/Output system）Chapter 1.1814 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。计算机性能评价计算机性能评价制造成本（制造成本（manufacturing cost）衡量计算机性能的基本指标衡量计算机性能的基本指标 响应时间（响应时间（response tim

21、e）-执行时间（执行时间（execution Time）、等待时间（）、等待时间（latency）throughput（吞吐量）（吞吐量）-带宽（带宽（bandwidth）计算机性能测量计算机性能测量 指令执行速度（指令执行速度（MIPS、MFLOPS）基准程序（基准程序（Benchmark）Chapter 1.1914 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。计算机性能的基本评价指标计算机性能的基本评价指标 X is n times faster than Y meansExT

22、ime(Y)Performance(X)=ExTime(X)Performance(Y)相对性能用执行时间相对性能用执行时间的倒数来表示！的倒数来表示！计算机有两种不同的性能计算机有两种不同的性能 Time to do the task 响应时间（响应时间（response time）执行时间（执行时间（execution time）等待时间或时延（等待时间或时延（latency）Tasks per day,hour,sec,ns.吞吐率（吞吐率（throughput）带宽（带宽（bandwidth）基本的性能评价标准是：基本的性能评价标准是：CPU的执行时间的执行时间不同应用场合用户关心的性

23、能不同：不同应用场合用户关心的性能不同：要求吞吐率高的场合，例如：要求吞吐率高的场合，例如：多媒体应用（音多媒体应用（音/视频播放要流畅）视频播放要流畅）要求响应时间短的场合：例如：要求响应时间短的场合：例如：事务处理系统（存事务处理系统（存/取款的速度要快）取款的速度要快）要求吞吐率高且响应时间短的场合：要求吞吐率高且响应时间短的场合：ATM、文件服务器、文件服务器、Web服务器等服务器等 Chapter 1.2014 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。计算机性能的测量计

24、算机性能的测量比较计算机的性能时，用执行时间来衡量比较计算机的性能时，用执行时间来衡量完成同样工作量所需时间最短的那台计算机就是性能最好的完成同样工作量所需时间最短的那台计算机就是性能最好的处理器时间往往被多个程序共享使用，因此，用户感觉到的程序执行时间处理器时间往往被多个程序共享使用，因此，用户感觉到的程序执行时间并不是程序真正的执行时间并不是程序真正的执行时间（从（从hello程序执行过程可知）程序执行过程可知）通常把用户感觉到的响应时间分成：通常把用户感觉到的响应时间分成：-CPU时间：指时间：指CPU真正花在程序执行上的时间。又包括两部分：真正花在程序执行上的时间。又包括两部分：用户用

25、户CPU时间：用来运行用户代码的时间时间：用来运行用户代码的时间系统系统CPU时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间-其他时间：指等待其他时间：指等待I/O操作完成或操作完成或CPU花在其他用户程序的时间花在其他用户程序的时间系统性能和系统性能和CPU性能不等价，有一定的区别性能不等价，有一定的区别-系统性能系统性能(System performance)：系统响应时间，与：系统响应时间，与CPU外的其他外的其他部分也都有关系部分也都有关系-CPU性能性能(CPU performance)：用户：用户CPU时间时间本章主要讨论本章主

26、要讨论CPU性能，即：性能，即：CPU真正用在用户程序执行上的时间真正用在用户程序执行上的时间问题：用户问题：用户CPU时间与系统响应时间哪个更长？时间与系统响应时间哪个更长？Chapter 1.2114 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。CPU执行时间的计算执行时间的计算CPU 执行时间执行时间=CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序 X 时钟周期时钟周期 =CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序 时钟频率时钟频率 =指令条数指令条数/程序程序 X CPI X 时钟周期时钟周

27、期CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序=指令条数指令条数/程序程序 X CPICPI=CPU时钟周期数时钟周期数/程序程序 指令条数指令条数/程序程序 CPI 用来衡量以下各方面的综合结果用来衡量以下各方面的综合结果Instruction Set Architecture（ISA）Implementation of that architectureprogram CPI：Cycles Per Instruction Chapter 1.2214 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不

28、再说明。Architecture=Instruction Set Arch.+OrganizationComputer DesignComputer Hardware Design Machine Implementation Logic Designers View Processor Architecture Computer OrganizationConstruction EngineerInstruction Set Design Machine Language Compiler View Computer Architecture Instruction Set Processo

29、rBuilding Architect“建筑设计师建筑设计师”功能定义与设计功能定义与设计“建造工程师建造工程师”考虑用什么材料，如何布线等考虑用什么材料，如何布线等例如，是否提供例如，是否提供“乘法指令乘法指令”是是ISA设计要考虑的问题；设计要考虑的问题；如何实现乘法指令（用专门的乘如何实现乘法指令（用专门的乘法器还是用一个加法器法器还是用一个加法器+移位器实现）是组成（移位器实现）是组成（Organization）考虑的问题；考虑的问题；如何布线、如何布线、用什么材料、工艺设计等是计算机实现技术用什么材料、工艺设计等是计算机实现技术（Technology）考虑的问题考虑的问题。Chapt

30、er 1.2314 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。如何计算如何计算CPI?对于某一条特定的指令而言，其CPI是一个确定的值。但是，对于某一类指令、或一个程序、或一台机器而言，其CPI是一个平均值，表示该类指令或该程序或该机器的指令集中每条指令执行时平均需要多少时钟周期。假定CPIi、Fi是各指令CPI和在程序中的出现频率，则程序综合CPI为:CPI =where=xniiiFCPI1CountnInstructioCFii_=CPU时间时间=时钟周期时钟周期 x假定CP

31、I i 和 C i分别为第 i类指令的CPI和指令条数，则程序的总时钟数为：=xniiiCCPI1=xniiiCCPI1总时钟数总时钟数=所以，所以，CPI=(CPU 时间时间时钟频率时钟频率)/指令条数指令条数 =总时钟周期数总时钟周期数/指令条数指令条数已知CPU时间、时钟频率、总时钟数、指令条数，则程序综合CPI为:问题：指令的问题：指令的CPI、机器的、机器的CPI、程序的、程序的CPI各能反映哪方面的性能？各能反映哪方面的性能？单靠单靠CPI不能反映不能反映CPU的性能！为什么？如：单周期处理器的性能！为什么？如：单周期处理器CPI=1，但性能差！，但性能差！Chapter 1.24

32、14 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Example1程序程序P在机器在机器A上运行需上运行需10 s，机器机器A的时钟频率为的时钟频率为400MHz。现在要设计一台机器现在要设计一台机器B，希望该程序在，希望该程序在B上运行只需上运行只需6 s.机器机器B时钟频率的提高导致了其时钟频率的提高导致了其CPI的增加，使得程序的增加，使得程序P在机器在机器B上时钟周期数是在机器上时钟周期数是在机器A上的上的1.2倍。机器倍。机器B的时钟频率达到的时钟频率达到A的多少倍才能使程

33、序的多少倍才能使程序P在在B上执行速度是上执行速度是A上的上的10/6=1.67倍？倍？Answer:CPU时间A=时钟周期数A/时钟频率A 时钟周期数A=10 sec x 400MHz=4000M个 时钟频率B=时钟周期数B/CPU时间B =1.2 x 4000M/6 sec=800 MHz机器机器B的频率是的频率是A的两倍，但机器的两倍，但机器B的速度并不是的速度并不是A的两倍！的两倍！Chapter 1.2514 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Marketing

34、Metrics（产品宣称指标）（产品宣称指标）MIPS=Instruction Count/Time x106=Clock Rate/CPI x 106Million Instructions Per Second因为每条指令执行时间不同，所以因为每条指令执行时间不同，所以MIPS总是一个平均值。总是一个平均值。不同机器的指令集不同不同机器的指令集不同 程序由不同的指令混合而成程序由不同的指令混合而成 指令使用的频度动态变化指令使用的频度动态变化 Peak MIPS:（不实用）（不实用）所以所以MIPS数不能说明性能的好坏数不能说明性能的好坏（用下页中的例子来说明）（用下页中的例子来说明）MF

35、LOPS =FP Operations/Time x106Million Floating-point Operations Per Second 与机器相关性大与机器相关性大 并不是程序中花时间的部分并不是程序中花时间的部分用用MIPS数表示性数表示性能有没有局限能有没有局限?用用MFLOPS数表示数表示性能也有局限！性能也有局限！Chapter 1.2614 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。选择性能评价程序（选择性能评价程序（Benchmarks）用基准程序来评测计算

36、机的性能用基准程序来评测计算机的性能基准测试程序是专门用来进行性能评价的一组程序基准测试程序是专门用来进行性能评价的一组程序不同用户使用的计算机用不同的基准程序不同用户使用的计算机用不同的基准程序基准程序通过运行实际负载来反映计算机的性能基准程序通过运行实际负载来反映计算机的性能最好的基准程序是用户实际使用的程序或典型的简单程序最好的基准程序是用户实际使用的程序或典型的简单程序基准程序的缺陷基准程序的缺陷现象：基准程序的性能与某段短代码密切相关时，会被利用以得到不现象：基准程序的性能与某段短代码密切相关时，会被利用以得到不当的性能评测结果当的性能评测结果手段：硬件系统设计人员或编译器开发者针对

37、这些代码片段进行特殊手段：硬件系统设计人员或编译器开发者针对这些代码片段进行特殊的优化，使得执行这段代码的速度非常快的优化，使得执行这段代码的速度非常快-例例1：Intel Pentium处理器运行处理器运行SPECint时用了公司内部使用的时用了公司内部使用的特殊编译器，使其性能极高特殊编译器，使其性能极高-例例2：矩阵乘法程序：矩阵乘法程序SPECmatrix300有有99%的时间运行在一行语的时间运行在一行语句上，有些厂商用特殊编译器优化该语句，使性能达句上，有些厂商用特殊编译器优化该语句，使性能达VAX11/780的的729.8倍！倍！Chapter 1.2714 四月四月 2023从

38、使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Successful Benchmark:SPEC 1988年，年，5家公司（家公司（Sun,MIPS,HP,Apollo,DEC）联合提出了）联合提出了Systems Performance Evaluation Committee(SPEC)SPEC给出了一组标准的测试程序、标准输入和测试报告。它们是一些实际的给出了一组标准的测试程序、标准输入和测试报告。它们是一些实际的程序，包括程序，包括 OS calls、I/O等。等。版本版本 89：10 progr

39、ams=4 for integer+6 for FP,用每个程序的执行时间求用每个程序的执行时间求出一个综合性能指标出一个综合性能指标 版本版本92：SPECInt92(6 integer programs)and SPECfp92(14 floating point programs)整数和浮点数单独提供衡量指标：整数和浮点数单独提供衡量指标：SPECInt92和和SPECfp92增加增加 SPECbase:禁止使用任何与程序有关的编译优化开关禁止使用任何与程序有关的编译优化开关版本版本95：8 int+10fp较新版本：较新版本：include SPEC HPC96,SPEC JVM98,

40、SPEC WEB99,SPEC OMP2001.SPEC CPU2000，See http:/www.spec.org for more details“benchmarks useful for 3 years”Base machine is changed from VAX-11/780 to Sun SPARC 10/40 Chapter 1.2814 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。如何给出综合评价结果如何给出综合评价结果?Program 1:1 sec on m

41、achine A,10 sec on machine BProgram 2:1000 sec on A，100 sec on BWhat are your conclusions?A is 10 times faster than B for program1.B is 10 times faster than A for Program2.Total execution time是一个综合度量值，可以据此得出结论：是一个综合度量值，可以据此得出结论：B is 1001/110=9.1 times faster than A实际上，必须考虑每个程序在作业中的使用频度，即加权平均实际上，必须考虑

42、每个程序在作业中的使用频度，即加权平均问题：如果用一组基准程序在不同的机器上测出了运行时间，那么如何问题：如果用一组基准程序在不同的机器上测出了运行时间，那么如何综合评价机器的性能呢？综合评价机器的性能呢？先看一个例子：先看一个例子：这个结论无法比这个结论无法比较较A和和B的好坏的好坏必须用一个综合必须用一个综合的值来表示！的值来表示！Chapter 1.2914 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。综合性能评价的方法综合性能评价的方法可以用以下两种平均值来评价：可以用以下两

43、种平均值来评价：Arithmetic mean(算术平均算术平均)：求和后除：求和后除nGeometric mean(几何平均几何平均)：求积后开根号：求积后开根号n根据算术平均执行时间能得到总平均执行时间根据算术平均执行时间能得到总平均执行时间根据几何平均执行时间不能得到程序总的执行时间根据几何平均执行时间不能得到程序总的执行时间执行时间的规格化（测试机器相对于参考机器的性能）：执行时间的规格化（测试机器相对于参考机器的性能）：time on reference machine time on measured machine 平均规格化执行时间不能用算术平均来计算，而应该用几何平均平均规格

44、化执行时间不能用算术平均来计算，而应该用几何平均program A going from 2 seconds to 1 second as important as program B going from 2000 seconds to 1000 seconds.（算术平均值不能反映这一点！）（算术平均值不能反映这一点！）综上所述，算术平均和几何平均各有长处，可灵活使用！综上所述，算术平均和几何平均各有长处，可灵活使用！Chapter 1.3014 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在

45、此不再说明。小结小结性能的定义：一般用程序的响应时间或系统的吞吐率表示机器或系统整体性能。性能的定义：一般用程序的响应时间或系统的吞吐率表示机器或系统整体性能。CPU性能的测量（用户程序的性能的测量（用户程序的CPU执行时间）：执行时间）：一般把程序的响应时间划分成一般把程序的响应时间划分成CPU时间和等待时间，时间和等待时间，CPU时间又分成用户时间又分成用户CPU时间和系统时间和系统CPU时间。时间。因为操作系统对自己所花费的时间进行测量时，不十分准确，所以，对因为操作系统对自己所花费的时间进行测量时，不十分准确，所以，对CPU性性能的测算一般通过测算用户能的测算一般通过测算用户CPU时间

46、来进行。时间来进行。各种性能指标之间的关系：各种性能指标之间的关系：CPU执行时间执行时间=CPU时钟周期数时钟周期数 x 时钟周期时钟周期时钟周期和时钟频率互为倒数时钟周期和时钟频率互为倒数CPU时钟周期数时钟周期数=程序指令数程序指令数 x 每条指令的平均时钟周期数每条指令的平均时钟周期数CPIMIPS数在有些情况下不能说明问题，不具有可比性！数在有些情况下不能说明问题，不具有可比性！性能评价程序的选择：性能评价程序的选择：采用一组基准测试程序进行综合（算术（加权）平均采用一组基准测试程序进行综合（算术（加权）平均/几何平均）评测。几何平均）评测。有些制造商会针对评测程序中频繁出现的语句采

47、用专门的编译器，使评测程序有些制造商会针对评测程序中频繁出现的语句采用专门的编译器，使评测程序的运行效率大幅提高。因此有时基准评测程序也不能说明问题。的运行效率大幅提高。因此有时基准评测程序也不能说明问题。对于某种特定的指令集体系结构，提高计算机性能的主要途径有：对于某种特定的指令集体系结构，提高计算机性能的主要途径有：提高时钟频率（第七章提高时钟频率（第七章 流水线）流水线）优化处理器中数据通路的结构以降低优化处理器中数据通路的结构以降低CPI（第六章（第六章 单周期单周期/多周期处理器）多周期处理器）采用编译优化措施来减少指令条数或降低指令复杂度（第五章采用编译优化措施来减少指令条数或降低

48、指令复杂度（第五章 指令系统指令系统）Chapter 1.3114 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。用一台用一台100MHz处理机执行标准测试程序，它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：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数据传送浮点控制传送30000450002000050002152 求出：求出：CPI和和MIPS。Chapter 1.3214 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。Chapter 1.3314 四月四月 2023从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。本章作业本章作业习题习题1中中2（4）、）、3、4、5、8、10写在作业本上，写在作业本上，要求要求书写工整、清楚，答题要完书写工整、清楚，答题要完整整