計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-第一章(基本概念)

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1、 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 w引 言w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 定 義w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 技 術(shù)w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn)w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 發(fā) 展w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 分 類(lèi) Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 自 第 一 臺(tái) 電 子 計(jì) 算 機(jī) 問(wèn) 世 已 經(jīng) 半 個(gè) 多 世紀(jì) 了 ， 它 已 經(jīng) 歷 了

2、 五 次 更 新 換 代 ： 第 一 代 計(jì) 算 機(jī) （ 1945 1954） 第 二 代 計(jì) 算 機(jī) （ 1955 1964） 第 三 代 計(jì) 算 機(jī) （ 1965 1974） 第 四 代 計(jì) 算 機(jī) （ 1975 1991） 第 五 代 計(jì) 算 機(jī) （ 1992 現(xiàn) 在 ） Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 引 言 將 電 子 管 和 繼 電 器 存 儲(chǔ) 器 用 絕 緣 導(dǎo) 線 互 連 起來(lái) ， 單 個(gè) CPU， CPU用 程 序 計(jì) 數(shù) 器 和 累 加 器 順 序完

3、 成 定 點(diǎn) 運(yùn) 算 ， 采 用 機(jī) 器 語(yǔ) 言 或 匯 編 語(yǔ) 言 ， 用CPU程 序 控 制 I/O。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ： John Von Neumann、 Arthur Burks和 Herman Goldstine于 1946年 在 普 林 斯 頓 大 學(xué) 研 制 成 功 的 IAS計(jì) 算 機(jī) ；賓 夕 法 尼 亞 大 學(xué) 莫 爾 學(xué) 院 于 1950年 制 成 的 ENIAC；IBM于 1953年 制 造 的 IBM701計(jì) 算 機(jī) 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù)

4、系 本 章 內(nèi) 容 引 言 采 用 分 立 式 晶 體 三 極 管 、 二 極 管 和 鐵 氧體 的 磁 芯 ， 用 印 刷 電 路 將 它 們 互 連 起 來(lái) 。 采用 了 變 址 寄 存 器 、 浮 點(diǎn) 運(yùn) 算 、 多 路 存 儲(chǔ) 器 和I/O處 理 機(jī) 。 采 用 有 編 譯 程 序 的 高 級(jí) 語(yǔ) 言 、子 程 序 庫(kù) 、 批 處 理 監(jiān) 控 程 序 。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ：1959年 制 成 的 Univac LARC、 60年 代 的CDC1604和 1962年 制 成 的 IBM7030。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信

5、息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 引 言 采 用 小 規(guī) 模 或 中 規(guī) 模 集 成 電 路 和 多 層 印刷 電 路 。 微 程 序 控 制 在 這 一 代 開(kāi) 始 普 及 。 采用 了 流 水 線 、 高 速 緩 存 和 先 行 處 理 機(jī) 。 軟 件方 面 采 用 多 道 程 序 設(shè) 計(jì) 和 分 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 。 代表 性 系 統(tǒng) 有 ： IBM 360/370系 列 、 CDC 6600/7600系 列 、 Texas儀 表 公 司 的 ASC和Digital Equipment公 司 的 PDP-8系 列 。 Computer Archi

6、tecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 引 言 采 用 大 規(guī) 模 或 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 和 半 導(dǎo)體 存 儲(chǔ) 器 ， 出 現(xiàn) 了 用 共 享 存 儲(chǔ) 器 、 分 布 式 存儲(chǔ) 器 或 向 量 硬 件 選 擇 的 不 同 結(jié) 構(gòu) 的 并 行 計(jì) 算機(jī) ， 開(kāi) 發(fā) 了 用 于 并 行 處 理 的 多 處 理 操 作 系 統(tǒng) 、專(zhuān) 用 語(yǔ) 言 和 編 譯 器 ， 同 時(shí) 產(chǎn) 生 了 用 于 并 行 處理 或 分 布 處 理 的 軟 件 工 具 和 環(huán) 境 。 代 表 性 系統(tǒng) 有 ： VAX90

7、00、 CrayX-MP、 IBM 3090VF和 BBNTC-2000等 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 引 言 采 用 VLSI工 藝 更 加 完 善 的 高 密 度 、 高速 度 處 理 機(jī) 和 存 儲(chǔ) 器 芯 片 。 它 最 重 要 特 點(diǎn) 是進(jìn) 行 大 規(guī) 模 并 行 處 理 ， 采 用 可 擴(kuò) 展 的 和 容 許時(shí) 延 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 。 代 表 性 系 統(tǒng) 有 ： Fujitsu的 VPP500、 Cray Research的 MPP、Thinki

8、ng Machines公 司 的 CM-5、 Intel超級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) Paragon、 SGI的 Origin 2000和 Sun公 司 的 1000服 務(wù) 器 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 從 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 過(guò) 程 ， 我 們 可 以 看 出 ：計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 性 能 的 不 斷 提 高 主 要 靠和 。 如 何 最 合 理 地 利 用 新 器 件 ， 最 大 限 度 地發(fā) 揮 其 潛 力 ， 設(shè) 計(jì) 并 構(gòu) 成 綜 合 性 能 指 標(biāo)

9、 最 佳的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) ， 單 純 依 靠 器 件 變 革 是 不 能 解決 的 ， 還 要 靠 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 上 的 改 進(jìn) 。 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 以 微 處 理 器 為 例 （ 圖 示 ） 。 在 20世 紀(jì) 80年 代中 期 以 前 ， 性 能 的 提 高 主 要 是 工 藝 技 術(shù) 驅(qū) 動(dòng) 的 ，平 均 以 每 年 25%的 速 度 提 高 。 此 后 到 2002年 ， 性能 的 提 高 主 要 得 益 于 工 藝 技 術(shù) 和

10、先 進(jìn) 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)設(shè) 計(jì) 思 想 ， 該 增 長(zhǎng) 率 達(dá) 到 了 52%。 2002年 后 ， 由于 在 電 源 、 可 用 的 指 令 級(jí) 并 行 和 存 儲(chǔ) 器 長(zhǎng) 時(shí) 延 等限 制 ， 使 單 處 理 器 性 能 的 提 升 減 緩 到 22%。本 章 內(nèi) 容 4 之 2 4 之 3 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 本 課 程 的 目 的 是 ： 讓 我 們 趕 快 開(kāi) 始 吧 ！ 4 之 4 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大

11、學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 概 念 計(jì) 算 機(jī) 組 成 的 概 念 計(jì) 算 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 的 概 念 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 應(yīng) 用 語(yǔ) 言 級(jí)高 級(jí) 語(yǔ) 言 級(jí)匯 編 語(yǔ) 言 級(jí)操 作 系 統(tǒng) 級(jí) 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 級(jí)微 程 序 機(jī) 器 級(jí)電 子 線 路 L5虛 擬 機(jī)L4虛 擬 機(jī)L3虛 擬 機(jī)L2虛 擬 機(jī) 翻 譯

12、 （ 應(yīng) 用 程 序 包 ）翻 譯 （ 編 譯 程 序 ）翻 譯 （ 匯 編 程 序 ）軟 硬 件 交 界 面物 理 機(jī) 器 解 釋硬 件 直 接 執(zhí) 行硬 件固 件系 統(tǒng)軟 件虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器 應(yīng) 用軟 件 部 分 解 釋 11 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖應(yīng) 用 語(yǔ) 言應(yīng) 用 程 序 用 戶信 息 處 理 11 之 2 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì)

13、算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖高 級(jí) 語(yǔ) 言解 釋 或 編 譯 高 級(jí) 語(yǔ) 言程 序 員運(yùn) 行 程 序 11 之 3 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖匯 編 語(yǔ) 言匯 編 程 序 匯 編 語(yǔ) 言程 序 員運(yùn) 行 程 序 11 之 4 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層

14、次 結(jié) 構(gòu) 圖傳 統(tǒng) 機(jī) 器 級(jí) 指 令操 作 系 統(tǒng) 級(jí) 指 令操 作 系 統(tǒng) 操 作 員系 統(tǒng) 資 源 11 之 5 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖機(jī) 器 指 令系 統(tǒng)CPU 機(jī) 器 語(yǔ) 言程 序 員機(jī) 器 程 序 11 之 6 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖微 指 令 系 統(tǒng)微 程 序

15、 控 制 邏 輯設(shè) 計(jì) 員寄 存 器傳 送 門(mén) 11 之 7 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 層 次 結(jié) 構(gòu) 圖硬 操 作 時(shí) 序硬 聯(lián) 邏 輯 硬 件 維 護(hù)員 /設(shè) 計(jì) 員邏 輯 線 路內(nèi) 核 11 之 8 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 是 指 能 執(zhí) 行 和 存 儲(chǔ) 程 序 的 算 法 和 數(shù) 據(jù) 結(jié)構(gòu) 的 集 合 體 。 是 指 算 法 和 數(shù)

16、 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 的實(shí) 現(xiàn) 方 法 ， 可 以 硬 件 /固 件 /軟 件 實(shí) 現(xiàn) 。 我 們 將 由 軟件 實(shí) 現(xiàn) 的 機(jī) 器 稱 為 ， 將 由 硬 件 /固 件 實(shí) 現(xiàn)的 機(jī) 器 稱 為 。本 章 內(nèi) 容 定 義 11 之 9 從 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 某 一 層 使 用 者 的 角 度 看 ，只 需 通 過(guò) 該 層 的 語(yǔ) 言 就 可 以 使 用 機(jī) 器 ， 而 不 必關(guān) 心 其 下 層 的 機(jī) 器 是 如 何 工 作 和 如 何 實(shí) 現(xiàn) 各 自功 能 的 ， 這 一 性 質(zhì) 稱 為 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué)

17、院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義v 系 統(tǒng) 是 由 硬 件 和 軟 件 組 成 的v 軟 、 硬 件 功 能 在 邏 輯 上 是 等 價(jià) 的v 軟 件 和 硬 件 的 分 界 面 是 動(dòng) 態(tài) 變 化 的 提 高 解 題 速 度 減 少 存 儲(chǔ) 量 硬 件 成 本 高 降 低 硬 件 利 用 率 、 系 統(tǒng) 靈活 性 和 適 應(yīng) 性 降 低 硬 件 造 價(jià) 提 高 系 統(tǒng) 靈 活 性 和 適 應(yīng) 性 降 低 解 題 速 度 增 加 系 統(tǒng) 存 儲(chǔ) 量 增 加 軟 件 設(shè) 計(jì) 費(fèi)硬 件軟 件過(guò) 去 現(xiàn) 在 將 來(lái) 時(shí) 間硬 件 比 率100%0% 11 之 10 C

18、omputer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 有 利 于 正 確 地 理 解 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 工 作 ，明 確 軟 件 、 硬 件 和 固 件 在 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中的 地 位 和 作 用 ； 有 利 于 理 解 各 種 語(yǔ) 言 的 實(shí) 質(zhì) 及 其 實(shí) 現(xiàn) ； 有 利 于 探 索 虛 擬 機(jī) 器 新 的 實(shí) 現(xiàn) 方 法 ， 設(shè)計(jì) 新 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 11 之 11 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工

19、 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 “ 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) ” 的 含 義 仍 有 多 種說(shuō) 法 ， 并 無(wú) 統(tǒng) 一 的 定 義 ， 下 面 介 紹 兩 種 ： 定 義 一 定 義 二 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 概 念（ Amdahl, 1964）v 是 指 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 所 有 部 件 之 間 的 邏 輯 連 接 結(jié) 構(gòu) 。 主 要 是 指 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 如 下 功 能 ：

20、數(shù) 據(jù) 表 示 、 尋 址 方 式 、 寄 存 器 組 織 、 指 令 系 統(tǒng) 、 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 、 中 斷 機(jī) 構(gòu) 、 I/O結(jié) 構(gòu) 等 。 哎 ！ 未 指 明 程序 員 的 級(jí) 別 4 之 2 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 概 念 即 ： 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 主 要 研究 軟 硬 件 功 能 分 配 和 對(duì) 軟 硬 件 界 面 的 確 定 。明 確 多 了 ！ 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 級(jí) 嘛 ！ 4 之 3 Computer Architecture V

21、3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 指 硬 件 能 直 接 識(shí)別 和 處 理 的 數(shù) 據(jù) 類(lèi) 型 和 格 式等 包 括 最 小 尋 址 單位 、 尋 址 方 式 的 種 類(lèi) 、 表 示和 地 址 計(jì) 算 等 包 括 操 作 數(shù) 寄存 器 、 變 址 寄 存 器 、 控 制 寄存 器 和 某 些 專(zhuān) 用 寄 存 器 的 定義 、 數(shù) 量 和 使 用 約 定包 括 機(jī) 器 指 令 的操 作 類(lèi) 型 和 格 式 ， 指 令 間 的排 序 方 式 和 控 制 機(jī) 構(gòu) 等 包 括 最 小 編 址 單位 、 編 址 方 式 、 主 存 容 量 、

22、最 大 可 編 址 空 間 等 包 括 中 斷 類(lèi) 型 、中 斷 分 級(jí) 、 中 斷 處 理 程 序 的功 能 和 入 口 地 址 等 包 括 I/O的 連 接 /訪 問(wèn) 方 式 、 數(shù) 據(jù) 的源 和 目 的 、 數(shù) 據(jù) 傳 送 量 、 操作 的 結(jié) 束 和 出 錯(cuò) 指 示 等 包 括 保 護(hù) 方 式 、硬 件 對(duì) 信 息 保 護(hù) 的 支 持本 章 內(nèi) 容 定 義 概 念 4 之 4 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 數(shù) 據(jù) 通 路 寬 度專(zhuān) 用 部 件 的 設(shè)

23、置各 種 操 作 對(duì) 部 件 的 共 享 程 度功 能 部 件 的 并 行 度 控 制 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 方 式緩 沖 和 排 隊(duì)容 錯(cuò) 技 術(shù)預(yù) 測(cè) 和 評(píng) 估 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 專(zhuān) 用 芯 片 （ ASIC） 的 設(shè) 計(jì) 處 理 機(jī) 、 Cache和 主 存 的 物 理 結(jié) 構(gòu) 器 件 、 模 塊 、 插 件 和 底 板 的 邏 輯 劃 分 和 連 接 信 號(hào) 傳 輸 電 源 與 冷 卻 微 組 裝 和 整 機(jī) 組 裝 技 術(shù) Compute

24、r Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 定 義 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 研 究 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 軟 、 硬 件 功 能分 配 和 軟 、 硬 件 界 面 的 確 定 ； 計(jì) 算 機(jī) 組 成 是 計(jì) 算 機(jī) 系統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 邏 輯 實(shí) 現(xiàn) ； 計(jì) 算 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 是 計(jì) 算 機(jī) 組 成 的 物 理實(shí) 現(xiàn) 。 具 有 相 同 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 計(jì) 算 機(jī) 可 以 因 為 速 度 等 因 素的 要 求 而 采 用 不 同 的 組 成 ； 一 種 計(jì) 算 機(jī) 的 組 成 可 以 采用

25、 多 種 不 同 的 計(jì) 算 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 。 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 、 組 成 和 實(shí) 現(xiàn) 所 包 含 的 具 體 內(nèi) 容 隨 不 同時(shí) 期 及 不 同 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 會(huì) 有 不 同 ， 而 且 隨 著 技 術(shù) 、器 件 和 應(yīng) 用 的 發(fā) 展 ， 三 者 之 間 的 界 限 越 來(lái) 越 模 糊 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 者 的 任 務(wù)w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 方 法w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 步 驟w計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)

26、 的 定 量 準(zhǔn) 則本 章 內(nèi) 容 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 即 ： 計(jì) 算 機(jī)設(shè) 計(jì) 者 必 須 設(shè) 計(jì) 出 一 臺(tái) 既 能 滿 足 功 能 要 求 ， 又 能達(dá) 到 價(jià) 格 和 性 能 目 標(biāo) 的 計(jì) 算 機(jī) 。 主 要 任 務(wù) 有 ： 確 定 用 戶 要 求 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 出 符 合 今 后 發(fā) 展 方 向 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .

27、計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 任 務(wù) 確 定 用 戶 對(duì) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 功 能 、 價(jià) 格 和性 能 的 要 求 。 例 如 ： 具 體 的 功 能 要 求 參 見(jiàn) 后 表 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 任 務(wù) 最 優(yōu) 設(shè) 計(jì) 方 案 的 選 擇 通 常 依 賴 于 價(jià) 格 和 性 能（ 后 面 介 紹 ） 。 設(shè) 計(jì) 者 在 處 理 價(jià) 格 和 性 能 之 間 的關(guān) 系 時(shí) 通 常 有 三 種 不

28、同 的 方 法 ： 例 如 ： 超 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 。 例 如 ： 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 例 如 ： 大 多 數(shù) 的 PC、 工 作 站 、 服 務(wù) 器 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 任 務(wù) 一 個(gè) 成 功 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 應(yīng) 該 能 經(jīng) 得 住 軟 、硬 件 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 應(yīng) 用 的 變 化 ， 因 此 設(shè) 計(jì) 者必 須 特 別 注 意 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 用 和 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 發(fā)展 趨 勢(shì) ， 這 樣 才 能 延 長(zhǎng) 一

29、種 機(jī) 器 的 使 用 壽 命 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) w由 上 而 下 法w由 下 而 上 法w由 中 間 向 兩 頭 法 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 方 法 確 定 應(yīng) 用 的 基 本 特 性 設(shè) 計(jì) 或 選 擇 面 向 該 應(yīng) 用 的 高 級(jí) 語(yǔ) 言 設(shè) 計(jì) 適 用 于 所 選 高 級(jí)

30、 語(yǔ) 言 編 譯 的 中 間 語(yǔ) 言 設(shè) 計(jì) 面 向 該 應(yīng) 用 的 操 作 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 面 向 所 用 編 譯 器 和 操 作 系 統(tǒng) 的 機(jī) 器 語(yǔ) 言 設(shè) 計(jì) 面 向 機(jī) 器 語(yǔ) 言 的 微 指 令 及 其 硬 件 實(shí) 現(xiàn) 適 用 于 面 向 某 一 應(yīng) 用 的 專(zhuān) 用 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 周 期 較 長(zhǎng) （ 需 若 干 年 ） 由 于 技 術(shù) 發(fā) 展 很 快 ， 因 此 難 以 真 正 面 向 用 戶 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè)

31、計(jì) 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 方 法 不 考 慮 應(yīng) 用 ， 參 照 現(xiàn) 有 機(jī) 器 特 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 微 程 序 機(jī) 器 級(jí)和 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 級(jí) 選 擇 面 向 不 同 應(yīng) 用 的 多 種 操 作 系 統(tǒng) 和 編 譯 器 20世 紀(jì) 60 70年 代 較 多 采 用 的 通 用 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 方 法 因 硬 件 不 可 更 改 ， 所 以 軟 件 設(shè) 計(jì) 被 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 某 些 性 能 指 標(biāo) 不 確 切 ， 如 傳 統(tǒng) 機(jī) 器 級(jí) 的 “ 每秒 運(yùn) 算 次 數(shù) ” Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與

32、技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 方 法 確 定 軟 、 硬 件 界 面 軟 件 設(shè) 計(jì) 人 員 設(shè) 計(jì) 軟 件 ， 硬 件 設(shè) 計(jì) 人 員 設(shè) 計(jì) 硬 件（ 同 時(shí) ） 20世 紀(jì) 60年 代 末 開(kāi) 始 采 用 的 通 用 機(jī) 設(shè) 計(jì) 方 法 設(shè) 計(jì) 周 期 短 交 互 式 設(shè) 計(jì) ， 便 于 提 高 系 統(tǒng) 性 能 要 求 設(shè) 計(jì) 人 員 具 有 軟 件 、 硬 件 、 器 件 和 應(yīng) 用 等 方 面的 知 識(shí) 需 要 完 善 的 硬 件 系 統(tǒng) 模 擬 環(huán) 境 和 軟 件 設(shè) 計(jì) 環(huán) 境 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與

33、信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 環(huán) 境 ： 實(shí) 時(shí) 處 理 、事 務(wù) 處 理 、 科 學(xué) 計(jì) 算 、 遠(yuǎn)程 處 理 所 用 語(yǔ) 言 的 種 類(lèi) 和 特 性 對(duì) 操 作 系 統(tǒng) 的 特 殊 要 求 所 用 外 設(shè) 的 特 性 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 分 析 市 場(chǎng) 分 析 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 功 能 說(shuō) 明 器 件 性 能 說(shuō) 明 確 定 機(jī) 器 級(jí) 界 面 定 義 機(jī) 器 級(jí) 界 面 的 內(nèi) 容 ，可 提 供 多 種 方 案 提 高 系 統(tǒng) 的 性 能 價(jià) 格 比 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué)

34、 .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù)w 加 快 經(jīng) 常 性 事 件 的 速 度w CPU性 能 公 式w 局 部 性 原 理 w 利 用 并 行 性 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 。 這 是計(jì) 算 機(jī) 設(shè) 計(jì) 中 最 重 要 也 最 廣 泛 采 用 的 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn)則 。 ： 加 法 運(yùn) 算 中 的 溢 出 和 不 溢 出 ； 中斷 處 理 中 的 常 規(guī) 性 保 護(hù)

35、 現(xiàn) 場(chǎng) 和 特 殊 性 保 護(hù) 現(xiàn)場(chǎng) 。 4 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 某 一 部 件 由 于 采 用 某 種 更快 的 執(zhí) 行 方 式 后 整 個(gè) 系 統(tǒng) 性 能 的 提 高 與 這 種執(zhí) 行 方 式 的 使 用 頻 率 或 占 總 執(zhí) 行 時(shí) 間 的 比 例有 關(guān) 。 4 之 2 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī)

36、 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 加 速 比改 進(jìn) 前 整 個(gè) 任 務(wù) 的 執(zhí) 行 時(shí) 間改 進(jìn) 后 整 個(gè) 任 務(wù) 的 執(zhí) 行 時(shí) 間增 強(qiáng) 比 例 增 強(qiáng) 加 速 比 時(shí) 間改 進(jìn) 后 改 進(jìn) 部 分 的 執(zhí) 行 時(shí) 間改 進(jìn) 前 改 進(jìn) 部 分 的 執(zhí) 行 時(shí) 間改 進(jìn) 前 整 個(gè) 任 務(wù) 的 執(zhí) 行可 改 進(jìn) 部 分 占 用 的 時(shí) 間eeSF 4 之 3 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù)

37、定 量 準(zhǔn) 則假 設(shè) 某 測(cè) 試 程 序 中 FP指 令 執(zhí) 行 時(shí) 間 占 50%， FPSQR指 令 占 20%， 用 改 進(jìn) FPSQR指 令 速 度 為 原 來(lái) 的 10倍和 改 進(jìn) FP指 令 速 度 為 原 來(lái) 的 2倍 ， 哪 種 方 案 更 好 ？： Fe=0.2, Se=10 ， 根 據(jù) Amdahl定 律 ， 加 速比 為 ： ： Fe=0.5, Se=2 ， 根 據(jù) Amdahl定 律 ， 加 速 比為 ： ： 33.175.0125.0)5.01( 1 nS 22.182.0 1102.0)2.01( 1 nS 4 之 4 Computer Architecture V

38、3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則w公 式 一w公 式 二w公 式 三 6 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 CPU性 能 公 式 一 個(gè) 程 序 的 CPU時(shí) 間 可 以 通 過(guò) 下 式 表 達(dá) ： 或 ： 簡(jiǎn) 單 明 了 ， 沒(méi) 有 什 么 實(shí) 用 價(jià) 值 6 之 2 Computer Architecture V3 同

39、濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 CPU性 能 公 式 一 個(gè) 程 序 的 CPU時(shí) 間 可 以 通 過(guò) 下 式 表 達(dá) ： 其 中 ： 為 一 個(gè) 程 序 的 指 令 總 數(shù) ， 為 執(zhí) 行 一條 指 令 所 需 的 平 均 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) 。 CPU時(shí) 間 與 3個(gè) 因 素 有 關(guān) ： 時(shí)鐘 周 期 長(zhǎng) 度 、 IC和 CPI 6 之 3 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章

40、 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 CPU性 能 公 式 一 個(gè) 程 序 的 CPU時(shí) 間 可 以 通 過(guò) 下 式 表 達(dá) ： 其 中 ： 為 指 令 i在 一 個(gè) 程 序 中 的 執(zhí) 行 次 數(shù) ， n為指 令 總 數(shù) ， 為 執(zhí) 行 指 令 i所 需 的 平 均 時(shí)鐘 周 期 數(shù) 。 6 之 4 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則假 設(shè) 某 測(cè) 試 程 序 中 FP指 令 （ 包 括 FPSQR） 的 執(zhí) 行 頻度 為 25%， F

41、P指 令 的 平 均 CPI=4.0， 其 它 指 令 的 平 均CPI=1.33； FPSQR指 令 的 執(zhí) 行 頻 度 為 2%， FPSQR指 令 的 平 均 CPI=20。 假 設(shè) 有 兩 種 設(shè) 計(jì) 方 案 ： 一 種 是將 FPSQR的 CPI減 為 2， 另 一 種 是 將 所 有 FP的 CPI減為 2.5， 試 利 用 CPU性 能 公 式 比 較 這 兩 種 設(shè) 計(jì) 方 案 。原 系 統(tǒng) 的 CPI為 ： 0.2%75*33.1%254)(1 ni ii ICICPICPI原 系 統(tǒng) 6 之 5 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與

42、 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則： 將 FPSQR的 CPI減 為 2： 將 所 有 FP的 CPI減 為 2.5或 ： 64.1)220(%20.2%21 ）（ 新老原 系 統(tǒng)方 案 FPSQRFPSQR CPICPICPICPI 625.1)5.24(%250.2%252 ）（ 新老原 系 統(tǒng)方 案 FPFP CPICPICPICPI 625.1%255.2%7533.1)(12 ni ii ICICPICPI方 案 6 之 6 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信

43、息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 程 序 執(zhí) 行 中 呈 現(xiàn) 出 頻 繁 重 復(fù) 使 用 那 些 最 近 已使 用 過(guò) 的 數(shù) 據(jù) 和 指 令 的 規(guī) 律 。 這 反 映 在 時(shí) 間 局 部性 和 空 間 局 部 性 上 。 近 期 被 訪 問(wèn) 的 信 息 ， 可 能 馬 上 被 訪 問(wèn) 。 與 被 訪 問(wèn) 地 址 相 鄰 的 地 址 上 的 信 息 可 能 會(huì) 一 起被 訪 問(wèn) 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系

44、 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則w并 行 性 的 概 念w并 行 性 的 實(shí) 現(xiàn)w并 行 性 的 等 級(jí)w并 行 性 的 發(fā) 展 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 我 們 將 問(wèn) 題 中 具 有 可 以 同 時(shí) 進(jìn)行 運(yùn) 算 或 操 作 的 特 性 稱 為 并 行 性 。并 行 性 實(shí) 際 上 包 含 和兩 重 含 義 ： 是 指 兩 個(gè) 或 多 個(gè) 事 件 在 同 一 時(shí)刻 發(fā) 生 ， 例 如 ： 流

45、水 。 是 指 兩 個(gè) 或 多 個(gè) 事 件 在 同 一 時(shí)間 間 隔 內(nèi) 發(fā) 生 ， 例 如 ： 分 時(shí) 操 作 。 ABCt1 Dt2 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性w時(shí) 間 重 疊w資 源 重 復(fù)w資 源 共 享 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行

46、 性 并 行 性 的 實(shí) 現(xiàn) 讓 多 個(gè) 處 理 過(guò) 程 在 時(shí) 間 上 相互 錯(cuò) 開(kāi) ， 輪 流 重 疊 地 使 用 同 一套 硬 件 設(shè) 備 的 各 個(gè) 部 分 ， 以 加快 硬 件 周 轉(zhuǎn) 而 提 高 速 度 。 指 令 流 水 線 。 不 需 要 增 加 硬 件 設(shè) 備 就 可 以提 高 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 性 能 價(jià) 格 比 。 t取 指 分 析 執(zhí) 行(a) 指 令 流 水 線 k k kk+1 k+1 k+1k+2 k+2 k+2部 件執(zhí) 行分 析取 指 t 2 t 3 t 4 t 5 t(b) 時(shí) 空 圖 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .

47、電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 實(shí) 現(xiàn) 通 過(guò) 重 復(fù) 設(shè) 置 資 源 （ 硬 件 、 軟 件 、 信 息 、 時(shí) 間 ）來(lái) 提 高 可 靠 性 或 性 能 。 N模 冗 余 結(jié) 構(gòu) 提 高 可 靠 性 ； 多 值 存 儲(chǔ) 器 提高 信 息 存 儲(chǔ) 密 度 ； 多 處 理 機(jī) 提 高 速 度 和 可 靠 性 。 需 要 增 加 資 源 才 能 大 幅 度 提 高 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 性能 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子

48、 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 實(shí) 現(xiàn) 利 用 軟 件 的 方 法 讓 多 個(gè) 用 戶 按 一 定 的 時(shí) 間 順 序輪 流 地 使 用 同 一 套 資 源 ， 以 提 高 其 利 用 率 ， 從 而提 高 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 性 能 。 多 道 程 序 分 時(shí) 系 統(tǒng) 。 不 需 要 增 加 硬 件 設(shè) 備 就 可 以 提 高 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的性 能 價(jià) 格 比 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院

49、 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 從 不 同 的 角 度 看 ， 等 級(jí) 的 劃 分 也 不 一 樣 ： 從 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 執(zhí) 行 程 序 的 角 度 看 從 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 處 理 數(shù) 據(jù) 的 角 度 看 從 計(jì) 算 機(jī) 信 息 加 工 的 各 個(gè) 步 驟 和 階 段 看 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級(jí)

50、 一 條 指 令 內(nèi) 部 各 個(gè) 微 操 作 之 間 的 并 行 。多 條 指 令 的 并 行 執(zhí) 行 。 多 個(gè) 任 務(wù) 或 程 序 段 的 并 行 執(zhí) 行 。 多 個(gè) 作 業(yè) 或 多 道 程 序 的 并 行 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級(jí) 同 時(shí) 只 對(duì) 一 個(gè) 字 的 一 位 進(jìn) 行 處 理 ， 這 通 常 是指 傳 統(tǒng) 的 串 行 單 處 理 機(jī) ， 沒(méi) 有 并 行 性 。 同 時(shí)

51、對(duì) 一 個(gè) 字 的 全 部 位 進(jìn) 行 處 理 ， 這 通 常 是指 傳 統(tǒng) 的 并 行 單 處 理 機(jī) ， 開(kāi) 始 出 現(xiàn) 并 行 性 。 同 時(shí) 對(duì) 許 多 字 的 同 一 位 （ 位 片 ） 進(jìn) 行 處 理 ，開(kāi) 始 進(jìn) 行 并 行 處 理 領(lǐng) 域 。 同 時(shí) 對(duì) 許 多 字 的 全 部 或 部 分 進(jìn) 行 處 理 。 10110111101100010010110010101110010位 片字 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利

52、 用 并 行 性 并 行 性 的 等 級(jí) 例 如 ， 相 聯(lián) 處 理 機(jī) 。 例 如 ， 流 水 線 處 理 機(jī) 。 例 如 ， 并 行 處 理 機(jī) 。 例 如 ， 多 處 理 機(jī) 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性w單 處 理 機(jī) 系 統(tǒng) 內(nèi) 并 行 性 的 發(fā) 展w多 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 及 其 向 并 行 處 理 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與

53、信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 發(fā) 展w 把 一 個(gè) 任 務(wù) 按 功 能 分 割 為 若 干 個(gè) 相 互 聯(lián) 系 的 子 任 務(wù) ,然 后將 每 一 個(gè) 子 任 務(wù) 分 配 給 某 個(gè) 專(zhuān) 門(mén) 的 部 件 處 理 。 目 的 是 使 所有 部 件 同 時(shí) 處 于 全 面 忙 碌 工 作 的 狀 態(tài) 。 例 如 ： 指 令 流 水 線 。w 例 如 ： 多 體 存 儲(chǔ) 器 、 多 操 作 部 件 、 并 行 處 理 機(jī) 等 。w 例 如 ： 多 道 程 序 和 分 時(shí) 系 統(tǒng) Com

54、puter Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 定 量 準(zhǔn) 則 利 用 并 行 性 并 行 性 的 發(fā) 展 多 臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) 通 過(guò) 通 道 /通 信 線 路 實(shí) 現(xiàn) 互 連 ， 共 享某 些 外 設(shè) ， 以 較 低 頻 帶 在文 件 /數(shù) 據(jù) 集 級(jí) 別 上 相 互 作用 。 系 統(tǒng) 功 能 被 劃 分 成 多個(gè) 專(zhuān) 門(mén) 功 能 ， 然 后 將 它 們分 散 給 各 個(gè) 專(zhuān) 用 處 理 機(jī) 。專(zhuān) 用 處 理 機(jī) 可 具 有 不 同 的體 系 結(jié) 構(gòu) 。 目 標(biāo) 是 構(gòu) 成

55、 。 通 過(guò) 總 線 /高 速 互 連 網(wǎng) 絡(luò)互 連 多 臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) ， 共 享 主 存 ，以 較 高 速 率 在 數(shù) 據(jù) /任 務(wù) 集 上相 互 作 用 。 支 持 進(jìn) 程 和 程 序的 并 行 處 理 。 各 處 理 機(jī) 具 有相 同 的 功 能 。 目 標(biāo) 是 構(gòu) 成。w 地 理 上 分 散 的 多 臺(tái) 計(jì) 算機(jī) 通 過(guò) 計(jì) 算 機(jī) 通 信 網(wǎng) 實(shí) 現(xiàn) 互連 ， 共 享 資 源 。 目 標(biāo) 是 構(gòu) 成。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 w 成 本w 性 能 C

56、omputer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 成 本 是 指 生 產(chǎn) 一 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 所 需 的 費(fèi) 用 ，包 括 軟 、 硬 件 的 費(fèi) 用 。 影 響 因 素 ： 時(shí) 間 、 產(chǎn) 量 、商 品 化 。w 價(jià) 格 是 指 一 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 銷(xiāo) 售 時(shí) 的 金 額 。 以一 個(gè) 價(jià) 值 $1000的 PC為 例 （ 圖 ） 來(lái) 介 紹 價(jià) 格 的 構(gòu)成 ：標(biāo) 價(jià) 元 件 成 本 直 接 成 本 毛 利 平 均 折 扣 2 之 1 是 指 與 生 產(chǎn)

57、 一 件 產(chǎn) 品 直接 有 關(guān) 的 成 本 ， 包 括 勞 動(dòng) 力 成 本 、保 證 金 （ 在 保 質(zhì) 期 間 系 統(tǒng) 在 用 戶 那邊 失 靈 時(shí) 的 更 換 或 維 修 費(fèi) 用 ） 等 。 是 指 與 生 產(chǎn) 一件 產(chǎn) 品 間 接 有 關(guān) 的 成 本 ， 包 括 公 司的 研 發(fā) 費(fèi) 用 、 營(yíng) 銷(xiāo) 費(fèi) 用 、 設(shè) 備 維 護(hù)費(fèi) 用 、 場(chǎng) 地 租 金 、 財(cái) 務(wù) 成 本 、 稅 前利 潤(rùn) 和 稅 。 2 之 2 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) w

58、 性 能 標(biāo) 準(zhǔn)w 基 準(zhǔn) 測(cè) 試 程 序 w 性 能 比 較 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 衡 量 計(jì) 算 機(jī) 性 能 的 唯 一 永 久 而 且 可 靠 的標(biāo) 準(zhǔn) 是 ： 。 下 面 介 紹 幾種 較 流 行 的 替 代 標(biāo) 準(zhǔn) 及 其 不 足 ：w MIPSw MFLOPSw 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技

59、 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) MIPS（ 每 秒 百 萬(wàn) 條 指 令 數(shù) ） 定 義 為 ： 程 序 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 為 ： 主 要 缺 點(diǎn) ： 不 同 指 令 的 速 度 差 別 很 大 指 令 使 用 頻 度 差 別 很 大 有 相 當(dāng) 多 的 非 功 能 性 指 令遺 憾 啊 ！ Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) MFLOPS（ 每 秒 百 萬(wàn) 次 浮 點(diǎn) 操 作 次 數(shù) ） 定 義 為

60、 ： MFLOPS只 能 衡 量 機(jī) 器 浮 點(diǎn) 操 作 的 性 能 ， 而 不 能 體 現(xiàn)機(jī) 器 的 整 體 性 能 。 主 要 缺 點(diǎn) ： 依 賴 于 浮 點(diǎn) 運(yùn) 算 集 依 賴 于 浮 點(diǎn) 操 作 類(lèi) 型可 惜 ！ Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) 主 要 有 5類(lèi) 測(cè) 試 程 序 （ 以 測(cè) 量 準(zhǔn) 確 程 度 遞 減 的次 序 排 列 ） ： 真 實(shí) 程 序 改 造 /模 擬 程 序 核 心 測(cè) 試 程 序 玩 具 基 準(zhǔn)

61、 測(cè) 試 程 序 綜 合 基 準(zhǔn) 測(cè) 試 程 序 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 使 用 真 實(shí) 程 序 進(jìn) 行 測(cè) 試 。 C編 譯 程 序 、 Word等 字 處 理 程 序 、 Photoshop等 應(yīng) 用 程 序 。 會(huì) 因 程 序 依 賴 于 具 體 的 操 作 系 統(tǒng) 或 編 譯 器 而 產(chǎn)生 移 植 問(wèn) 題 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子

62、 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 解 決 可 移 植 問(wèn) 題 側(cè) 重 于 系 統(tǒng) 性 能 的 某 一 特 定 方 面w 能 再 現(xiàn) 桌 面 系 統(tǒng) 中 可 能 出 現(xiàn) 的 相 互 影 響 的 行為 ， 或 模 擬 服 務(wù) 器 系 統(tǒng) 中 可 能 出 現(xiàn) 的 復(fù) 雜 的 多 用戶 交 互 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性

63、能 標(biāo) 準(zhǔn) 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 從 真 實(shí) 程 序 中 提 取 出 的 一 些 小 而 關(guān) 鍵 的 程 序 段進(jìn) 行 測(cè) 試 。 Livermore Loops和 Linpack等 。 將 計(jì) 算 機(jī) 中 各 項(xiàng) 特 性 的 性 能 分 離 出 來(lái) ， 以 解 釋運(yùn) 行 真 實(shí) 程 序 時(shí) 性 能 有 差 異 的 原 因 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 選 擇 通 常 只 有 101

64、00行 的 代 碼 、 用 戶 在 測(cè) 試 之前 都 已 經(jīng) 知 道 運(yùn) 行 結(jié) 果 的 程 序 進(jìn) 行 測(cè) 試 。 Puzzle、 快 速 排 序 等 。 用 于 測(cè) 試 某 種 特 定 指 標(biāo) 。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 性 能 標(biāo) 準(zhǔn) 選 擇 程 序 評(píng) 價(jià) 性 能 人 工 合 成 出 來(lái) 的 測(cè) 試 程 序 。 為 了 使 測(cè) 試 程 序 的行 為 和 表 現(xiàn) 盡 可 能 接 近 于 真 實(shí) 的 應(yīng) 用 程 序 ， 一 般先 對(duì)

65、大 量 的 應(yīng) 用 程 序 中 的 操 作 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) ， 得 到 各種 操 作 的 比 例 ， 然 后 再 按 這 個(gè) 比 例 編 制 測(cè) 試 程 序 。 Whetstone和 Dhrystone。 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 把 應(yīng) 用 程 序 中 用 得 最 頻 繁 的 那 部 分 核 心 程 序作 為 評(píng) 價(jià) 計(jì) 算 機(jī) 性 能 的 標(biāo) 準(zhǔn) 程 序 。 稱 為 基 準(zhǔn) 測(cè) 試程 序 (benchmark)。w 用 于 桌 面 機(jī)

66、的 benchmarksw 用 于 服 務(wù) 器 的 benchmarksw 用 于 嵌 入 式 計(jì) 算 機(jī) 的 benchmarks Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 基 準(zhǔn) 測(cè) 試 程 序 桌 面 機(jī) 應(yīng) 具 有 的 主 要 特 性 ： 。SPEC（ www.spec.org） 是 常 用 的benchmarks ， 這 些 benchmarks可 分 為 兩 大 類(lèi) ：和 。 SPEC CPU2000（ 表 ， 測(cè) 試 實(shí) 例 ） 。 SPECviewperf和 SPECapc。 7 之 1 Computer Architecture V3 同 濟(jì) 大 學(xué) .電 子 與 信 息 工 程 學(xué) 院 .計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 系 本 章 內(nèi) 容 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 性 能 基 準(zhǔn) 測(cè) 試 程 序 用 于 桌 面 機(jī) 的 benchmarks SPEC（ System Performance Evaluation Cooperative）