计算机系统结构

计算机系统结构 Computer architecture

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

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大规模并行处理、采用可扩展的容许时延的系统结构变址寄存器、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、专用语言等计算机系统结构的变化

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

虚拟计算机 广义语言观察者控制信息解释器/编译器作用对象状态信息虚拟机的概念: 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。

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（Instruction stream,IS) 数据流（Data stream，DS）多倍性（Multiplicity) • SISD(Single Instruction stream single Data Stream) • SIMD(Single Instruction stream Multiple Data stream) • MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream) • MIMD(Multiple Instruction stream Multiple Data stream)

IS IS DS CU PU MM SISD DS1 PU1 MM1 IS DS2 CU PU2 MM2 DSn PUn MMn MISD

DS1 IS1 IS1 MM1 CU1 PU1 IS2 IS2 MM2 CU2 PU1 ISn ISn PU1 MMn CUn MISD DSn

IS1 DS1 CU1 IS1 PU1 DS2 IS2 CU2 MM1 PU1 IS2 MM2 DSn ISn PU1 CUn ISn MMn MIMD

用最大并行度对计算机系统结构分类 2、冯氏分类法 WSBS(Word serial and bit setial) WPBS(Word parallel and bit serial) WSBP(Word serial and bit parallel ) WPBP(Word parallel and bit parallel) Pm:最大并行度，指单位时间内能处理的最大二进制位数。

16384 288 256 64 32 16 MPP (1,16384) PEPE (32,288) 位片宽（m） STARAN (1,256) ILLIAC-IV (64,64) TI-ASC (64,32) Cmmp (16,16) EDVAC (1,1) IBM 370/168 (32,1) PDP-11 (16,1) 字宽 1 16 32 64 最大并行度：横坐标纵坐标按最大并行度的冯氏分类法

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罗辑线路（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

可改进部分占用时间 Fe= T可改进改进前整个任务执行时间 = T0 改进部分改进前执行时间 T可改进 Se= = 改进部分改进后执行时间 T改进后 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）

Fe Fe ) Tn=T0（1-Fe+ Se Se T0 1 Sn= = Tn （1-Fe+ ) Tn=T0-T可改进+T改进后 T可改进=T0*Fe T改进后=T0*Fe /Se 代入后，得下式：

1 1 Sn= = =1.56 1-Fe+Fe /Se 0.6+0.4/10 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=0.4 Se=10 根据Amdahl定律采用加快措施后能使整个系统性能提高56%

1 SFPSQR= =1.22 SFP= (1-0.2)+0.2/10 1 =1.33 (1-0.5)+0.5/2 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：使所有FP指令的速度提高这一方案更好。

3 CPU性能公式 • CPI（Clock cycles Per Instruction): • IC（Instruction Count) CPI=CPU时钟周期数/IC CPU Time=CPI*IC/时钟频率或 CPU Time=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。

n n n CPU Clock cycles= (CPIi*Ii ) (CPIi*Ii ) (CPIi*Ii ) i=1 i=1 i=1 CPU Time=时钟周期长度* n (CPIi*Ii /IC) = CPI= IC i=1 用多个程序测试CPU的性能时： Ii是第i种指令的条数，Ii/IC是第I种指令所占比例数。

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：

指令条数 时钟频率 MIPS= = 执行时间106 CPI 106 程序中浮点操作次数 MFLOPS= 执行时间106 • MIPS（million instruction per second) • MFLOPS（million floating point oprations per second) • 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

n 1 Ti Am= 平均执行时间 n i=1 • 性能的比较例子：如下表总执行时间：一致的衡量标准

1 n Hm=  1 Ri i=1 1 Hm= n  Wi Ri i=1 调和平均时间 MFLOPS 加权平均时间 n 1 WiTi Am= 加权平均执行时间 n i=1 加权调和平均时间 MFLOPS

例子：如下表所示

n G= n G（Xi ) ETRi Xi = G( ) i=1 Yi G（Yi ) 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： 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。

9 8 7 6 5 4 3 2 1 成本 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 年份成本 1 成本指标硬件成本和软件成本

成本与产量的关系 成本 50000 100000 产量

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

控制器 输出设备输入设备运算器(ALU) 存储器冯诺依曼结构早期的冯诺依曼结构计算机如图:

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