《微處理器結(jié)構(gòu)》PPT課件.ppt
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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)=指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)+機(jī)器組成+…,2020/4/26,1,指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),可編程存儲系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：編碼和表示指令格式指令（或操作碼）集合對數(shù)據(jù)項(xiàng)和指令進(jìn)行尋址和訪問的模式意外情況,2020/4/26,2,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義變化,五十年代~六十年代:計(jì)算機(jī)算邏設(shè)計(jì)七十年代~八十年代:指令系統(tǒng)設(shè)計(jì),特別是針對編譯的ISA設(shè)計(jì)九十年代:CPU設(shè)計(jì)、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、多處理器、網(wǎng)絡(luò)等2005--:CPU設(shè)計(jì)、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、多處理器、網(wǎng)絡(luò)、SoC等,2020/4/26,3,,,2020/4/26,4,,,2020/4/26,5,,,2020/4/26,6,,,2020/4/26,7,,,2020/4/26,8,2020/4/26,9,課程目的及特點(diǎn),目的掌握處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本知識學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工程方法特點(diǎn)深入、具體－－MIPS與微電子專業(yè)緊密結(jié)合基礎(chǔ)知識要求計(jì)算機(jī)原理數(shù)字電路C語言,2020/4/26,10,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及性能和成本數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示及指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和風(fēng)格流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)存儲體系,課程簡介課程內(nèi)容,2020/4/26,11,計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史,1833年，英國數(shù)學(xué)家CharlesBabbage設(shè)計(jì)制造的“analyticalengine”,計(jì)算機(jī)與微處理器的發(fā)展歷史,著名詩人拜侖的女兒AdaLovelace曾受雇為這臺機(jī)器編寫軟件，她應(yīng)該是世界上最早的程序員。,2020/4/26,12,微處理器的發(fā)展,計(jì)算機(jī)與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,13,微處理器的發(fā)展,,計(jì)算機(jī)與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,14,微處理器的發(fā)展,,VonNeumann曾預(yù)言整個(gè)美國只需要10臺計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,15,計(jì)算機(jī)與處理器中的基本概念,前言,2020/4/26,16,,,二十世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域最重要的兩項(xiàng)發(fā)明,數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)(1946.2.14).計(jì)算機(jī)開始補(bǔ)充，甚至替代所有其它形式的信息處理工具,晶體管(1946)和集成電路(1957).Moore定律:按每個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量統(tǒng)計(jì)，集成電路每年的改進(jìn)速度為60%。存儲容量遵從上述規(guī)律改進(jìn)光傳輸線路遵從上述規(guī)律改進(jìn)電話線遵從上述規(guī)律改進(jìn)……,2020/4/26,17,,Moore定律,10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K,1970,1980,1990,2000,2010,,1965，GordonMoore預(yù)測半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每一年半翻兩番,2020/4/26,18,,處理器每三年速度翻兩番；在過去15年，性能改進(jìn)1000倍存儲器DRAM容量：三年速度翻兩番；在過去15年，容量增大1000倍每位成本：每年改進(jìn)25%磁盤容量：>每1.5年翻一番每位成本：每年改進(jìn)60%在過去十年，容量增大120倍最新的臺式PC配置處理器頻率：1.5GigaHertz存儲器容量：1.0GigaBytes磁盤容量：100GigaBytes(0.1TeraBytes)時(shí)髦的計(jì)量單位：Mega=>Giga,Giga=>Tera,計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異,2020/4/26,19,,基本概念—1：,為什么現(xiàn)在是64位處理器時(shí)代？處理器硬件的發(fā)展遵循Moore’sLaw軟件是處理器得以發(fā)展最重要的因數(shù)在新的處理器出來之前都要向軟件俯首稱臣??！,2020/4/26,20,基本概念—2：軟件,二進(jìn)制：1000-1100-1010-0000匯編程序：AddAB高級語言：A+B編譯器（Compile）鏈接器（Link）操作系統(tǒng)（OS）應(yīng)用軟件,2020/4/26,21,,,軟件分類,軟件,2020/4/26,22,計(jì)算機(jī)的5大組成部分,,2020/4/26,23,基本概念-4：體系結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu):硬件組成軟件指令體系結(jié)構(gòu)…ComputerArchitecture:HardwareSoftwareInstructionSetArchitecture…,2020/4/26,24,計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)區(qū)別,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指那些能夠被程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能性，包括指令集、數(shù)據(jù)類型、存儲器尋址技術(shù)、I/O機(jī)理等等，大都屬于抽象的屬性。計(jì)算機(jī)組成是指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性。例如：一臺機(jī)器是否具備乘法指令的功能，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)的問題，可是實(shí)現(xiàn)乘法指令采用什么方式的問題，則是一個(gè)組成問題。因此，兩臺機(jī)器指令系統(tǒng)相同時(shí)，只能認(rèn)為他們具有相同的結(jié)構(gòu)，其組成方式可以完全不同。,2020/4/26,25,計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述從用戶角度看到的計(jì)算機(jī)。（建筑設(shè)計(jì)師）指令集寄存器存儲器結(jié)構(gòu)中斷（異常）處理……計(jì)算機(jī)組成：用戶不可見的處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式（建筑工程師）流水線Cache總線……,2020/4/26,26,處理器內(nèi)部總線MemoryIO軟件工藝…….,計(jì)算機(jī)性能,2020/4/26,27,計(jì)算機(jī)的分類,巨型機(jī)（SuperComputer)大型機(jī)（Mainframe)小型機(jī)（MiniComputer)工作站（WorkStation)微機(jī)（PC）根據(jù)中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主編的《英漢計(jì)算機(jī)詞典》的解釋，PC是指“由微處理器芯片裝成的，便于搬動(dòng)而且不需維護(hù)的計(jì)算機(jī)”。,2020/4/26,28,計(jì)算機(jī)處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常指體系結(jié)構(gòu)ISA(InstructionSetArchitecture,指令集體系結(jié)構(gòu)，簡稱體系結(jié)構(gòu))和微體系結(jié)構(gòu)uA（Micro-Architecture）,ISA是處理器由程序員觀察處理器的屬性，也就是處理器的概念結(jié)構(gòu)與功能行為，定義計(jì)算機(jī)與軟件之間的接口，供操作系統(tǒng)、編譯程序以及匯編程序等的設(shè)計(jì)者使用,uA是指處理器內(nèi)部組織中各功能部件的特性、它們之間的互連方式、信息流性質(zhì)以及管理這些信息流的邏輯與實(shí)現(xiàn)SPARCstation-2和SPARCstation-20的區(qū)別：ISA相同,uA不同,2020/4/26,29,通用–高性能Pentiums,Alphas,SPARC用于支持通用軟件重量級操作系統(tǒng)-UNIX,NT工作站、微機(jī)，以及大規(guī)模并行系統(tǒng)嵌入式微處理器和處理器核ARM,486SX,Hitachi,NECV800特定應(yīng)用程序輕量級（通常要求實(shí)時(shí)）操作系統(tǒng)支持DSP移動(dòng)電話、消費(fèi)類電子(例如，STB、CDplayers)微控制器非常注重成本字長小–通常為8位是目前使用數(shù)量最多的一類微處理器汽車、空調(diào)、高級微波爐，...,微處理器分類,2020/4/26,30,處理器技術(shù)發(fā)展趨勢,2020/4/26,31,研究微處理器技術(shù)不變的主題：速度(Performance)面積(Cost)功耗(Power)制造(Manufacture),2020/4/26,32,提高速度：流水技術(shù)（Pipeline),2020/4/26,33,提高速度：指令并行,SuperScaleOut-of-OrderRegisterRenameVLIWCompilermultiprocessormultithreaded,2020/4/26,34,Summary：每位微電子專家或工程師都要了解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部機(jī)理,2020/4/26,35,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),所有的計(jì)算機(jī)都包含五個(gè)部件處理器:(1)數(shù)據(jù)通路datapath和(2)控制control(3)存儲器Memory(4)輸入設(shè)備和(5)輸出設(shè)備并非所有的存儲器都平等Cache:快速(昂貴)的存儲器處于接近處理器的地方主存:稍價(jià)廉的存儲器--我們可以大量使用輸入輸出(I/O)設(shè)備的組織比較雜亂速度差異大:圖形vs.鍵盤需求差異大:速度,標(biāo)準(zhǔn),成本...等等.,2020/4/26,36,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算機(jī)性能計(jì)算機(jī)成本本章小結(jié),第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ),目錄,2020/4/26,37,一.幾個(gè)重要概念1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能可劃分成多層次結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,,2020/4/26,38,2.軟件和硬件兩者在實(shí)質(zhì)上是完全不同的，但他們的功能在邏輯上是等價(jià)的。兩者在實(shí)現(xiàn)時(shí)，將在性能價(jià)格比上以及實(shí)現(xiàn)難易程度上反映出不等價(jià)。3.具有相同功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他們的軟、硬間的功能分配，可在很寬的范圍內(nèi)變化，因此軟、硬件的交界面是含糊，沒有明確的界定界線。4.透明性：一種本來存在的有差異的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度來看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,39,二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性，應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：1.指令系統(tǒng)2.數(shù)據(jù)表示3.操作數(shù)的尋址方式4.寄存器的構(gòu)成定義5.中斷機(jī)構(gòu)和例外條件6.存儲體系和管理7.I/O結(jié)構(gòu)，包括I/O設(shè)備的連接方式，處理機(jī)、存儲器與I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞方式和格式、傳遞的數(shù)據(jù)量及傳遞操作結(jié)束的表示及出錯(cuò)指示等。8.機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換9.信息保護(hù)，包括保護(hù)方式及有關(guān)的硬件支持等。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,40,三.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)特性1.定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性是由硬件和固件來加以實(shí)現(xiàn)，他們本身也是由電路、邏輯門或寄存器傳輸級所組成，但這些組成的描述通常過于詳細(xì)，對他們的抽象便成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性，也稱為計(jì)算機(jī)組成，它實(shí)際是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,41,2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性所涉及的內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性所涉及的內(nèi)容包括機(jī)器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成和cpu內(nèi)部及主存等部件的邏輯設(shè)計(jì)。3.計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括：（1）處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)（2）器件的集成度和速度的確定（3）器件、模塊、插件、底板的劃分與連結(jié)（4）微機(jī)組裝及整機(jī)裝配技術(shù)（5）專用器件的設(shè)計(jì)及信號傳輸、電源、冷卻方法等,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,42,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,四.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——微外特性1.概念它是由微程序編寫者看到的計(jì)算機(jī)的外部特性——邏輯結(jié)構(gòu)和功能能力，把它作為一個(gè)抽象級，可以定義硬件和固件（微代碼）之間的界面。,2020/4/26,43,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2.計(jì)算機(jī)內(nèi)、外特性與微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及寄存器傳輸級之間的關(guān)系,2020/4/26,44,按“流”分類1.概念Flynn教授在1966年提出的按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性概念進(jìn)行分類的方法。（1）指令流指機(jī)器執(zhí)行的指令序列，數(shù)據(jù)流是指指令流所調(diào)用的數(shù)據(jù)序列（2）多倍性是指在機(jī)器中最受限制的部件上的處在同一執(zhí)行階段的可并行執(zhí)行的最多指令或數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2020/4/26,45,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2.分類（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）（3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）,2020/4/26,46,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,3.Flynn分類法的缺點(diǎn)對于廣泛流行的標(biāo)量及向量流水計(jì)算機(jī)應(yīng)該屬于哪一類系統(tǒng)，不很明確。有的學(xué)者認(rèn)為：流水機(jī)歸為SIMD有的學(xué)者認(rèn)為：標(biāo)量流水機(jī)視為SISD類型，而把向量流水視為SIMD類型,2020/4/26,47,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,二.馮氏分類法1.概念馮澤云于1972年提出用最大并行度對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。最大并行度Pm：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)。字寬：在一個(gè)字中同時(shí)處理的二進(jìn)制的位數(shù)。位片寬：一個(gè)位片中能處理的字?jǐn)?shù)。,2020/4/26,48,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2.四種不同分類（1）字串位串（第一代計(jì)算機(jī)發(fā)展初期）（2）字并位串（傳統(tǒng)并行單處理機(jī)）（3）字串位并（4）字并位并,2020/4/26,49,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,三.按“并行級”和“流水線”分類1977年，Handler提出在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的三個(gè)子系統(tǒng)級別上按并行程度及流水線處理程度進(jìn)行分類的方法。三個(gè)層次為：（1）處理控制器（PCU）（2）算數(shù)邏輯部件（ALU）（3）位級電路（BLC）,2020/4/26,50,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,2020/4/26,51,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理,一.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理1.只加速使用頻率高的部件（makethecommoncasefast）2.阿姆達(dá)爾（Amdahl）定律定義：阿姆達(dá)爾定律是指，系統(tǒng)中對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。,性能加速比,2020/4/26,52,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理,3.程序訪問的局部性規(guī)律（1）定義所謂程序訪問局部性是指程序執(zhí)行中，呈現(xiàn)出頻繁重新使用那些最近已被使用過的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律。（2）分類程序訪問局部性主要反映在時(shí)間和空間局部性兩個(gè)方面A）時(shí)間局部性是指程序中近期被訪問的信息項(xiàng)很可能馬上被再次訪問B）空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰的信息項(xiàng)很可能會(huì)被一起訪問。,2020/4/26,53,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理,二.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)1.滿足用戶功能上的要求以及相應(yīng)的對價(jià)格和性能的要求2.在滿足功能要求基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化3.設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)日后發(fā)展趨勢,2020/4/26,54,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理,三.軟件的發(fā)展趨勢1.程序所要求的存儲空間增長，大約每年增長1.5-2倍，相應(yīng)相應(yīng)要求地址位每年增長0.5-1位2.匯編語言被高級語言所替代，編譯技術(shù)將起到更大作用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能更好的支持編譯要求。,2020/4/26,55,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,一.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變1.馮.諾依曼結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)（1）存在兩個(gè)主要的瓶頸。一個(gè)是物理瓶頸，即在CPU和存儲器之間存在頻繁的信息交換，二是智能瓶頸，即每次只能順序的執(zhí)行一條指令。（2）低級的機(jī)器語言和高級的程序設(shè)計(jì)語言之間存在著巨大的語義差距（3）復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象無法直接放到一維線性地址空間存儲器中，必須經(jīng)過地址映射,2020/4/26,56,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2.改進(jìn)的馮.諾依曼機(jī)特點(diǎn)重要的幾點(diǎn)：（1）采用虛擬存儲器，方便了高級語言編程（2）采用存儲器交叉訪問技術(shù)以及無沖突并行存儲器，以加寬存儲器帶寬（3）采用流水技術(shù)（4）采用多功能部件,2020/4/26,57,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,3.RISC介紹RISC技術(shù)開創(chuàng)了一種全新的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格，追求平均每個(gè)機(jī)器周期可處理一條指令，到了80年代中、后期出現(xiàn)了新一代RISC計(jì)算機(jī)，出現(xiàn)像超標(biāo)量，超常指令字以及超級流水等機(jī)器。,2020/4/26,58,,簡單指令（RISC):20-80%原則,2020/4/26,59,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,二.軟件、應(yīng)用和器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1.軟件可移植性方法（1）采用模擬和仿真方法模擬方法是指，用軟件方法在一臺現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)仿真方法指，當(dāng)宿主機(jī)本身采用微程序控制時(shí)，則對B機(jī)指令系統(tǒng)每條指令的解釋執(zhí)行可直接由A機(jī)中對應(yīng)的一段微程序來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)A機(jī)稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。（2）采用系列機(jī)方法(這是一種通過統(tǒng)一的機(jī)器語言來實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法）（3）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的高級語言（應(yīng)用軟件，且是源程序一級的）,2020/4/26,60,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2.應(yīng)用需求對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響（1）高的運(yùn)算速度（2）大的存儲容量（3）大的I/O吞吐率3.器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響器件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍因素（TTl——CMOS，工藝改變等）,2020/4/26,61,軟件的表示層次,2020/4/26,62,為什么要評估性能,對于用戶，可以對比不同的產(chǎn)品，從而選擇適合自己的產(chǎn)品對于設(shè)計(jì)者，可以評價(jià)不同的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)劣，找出影響性能的主要因素，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)對于銷售計(jì)算機(jī)的商家……,2020/4/26,63,性能的定義,2020/4/26,64,計(jì)算機(jī)性能的定義,響應(yīng)時(shí)間(ResponseTime):從開始任務(wù)到任務(wù)結(jié)束所需要的時(shí)間吞吐率(Throughput):給定時(shí)間內(nèi)所完成的任務(wù)量,2020/4/26,65,響應(yīng)時(shí)間與吞吐率的關(guān)系,2020/4/26,66,評估性能,衡量計(jì)算機(jī)性能（速度）最確切、最可信的標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)間！我們這里所關(guān)心的是CPU時(shí)間，即完成特定任務(wù)所需的CPU執(zhí)行時(shí)間。,2020/4/26,67,時(shí)鐘周期,對于給定的程序：執(zhí)行時(shí)間=所需的時(shí)鐘周期數(shù)x時(shí)鐘周期=所需的時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻率,設(shè)計(jì)者經(jīng)常面臨著時(shí)鐘周期數(shù)多少與時(shí)鐘周期長短的折衷問題。對于指定的處理器體系結(jié)構(gòu)，采用不同的組織，通常減少時(shí)鐘周期數(shù)的方案會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘周期加長，反之亦然。,2020/4/26,68,時(shí)鐘周期,對于給定的程序：時(shí)鐘周期數(shù)=所需的指令數(shù)x平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)=,不同類型的指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)不同，例如乘法指令比加法指令所需的周期數(shù)多，浮點(diǎn)運(yùn)算指令比整數(shù)運(yùn)算指令所需的周期數(shù)多。平均每條指令的時(shí)鐘周數(shù)，Cyclesperinstruction簡稱CPI。,2020/4/26,69,CPU執(zhí)行時(shí)間,對于給定的程序：執(zhí)行時(shí)間=所需的指令數(shù)xCPIx時(shí)鐘周期,2020/4/26,70,其它不全面的性能度量方式,機(jī)器代碼大小,由于精確度量程序執(zhí)行時(shí)間非常困難，人們試圖找到不需測量執(zhí)行時(shí)間的性能度量方法，這些方法都只在特定的情況下有意義，并不能全面地、真實(shí)地反映計(jì)算機(jī)的性能。,2020/4/26,71,其它不全面的性能度量方式,MIPS(millioninstructionspersecond),從表面上看，越快的機(jī)器MIPS值越大；MIPS使用起來十分直觀，易理解，但MIPS并不能全面反映性能，有時(shí)甚至與真實(shí)情況相反！,2020/4/26,72,基準(zhǔn)程序(benchmark),基準(zhǔn)程序(benchmark):是挑選出來專門用于評價(jià)計(jì)算機(jī)性能的程序。,好的基準(zhǔn)程序應(yīng)該能涵蓋計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域的程序的特征，使得測試結(jié)果能反映實(shí)際應(yīng)用中的計(jì)算機(jī)的實(shí)際性能。（即：1.覆蓋面廣2.反映實(shí)際性能）,2020/4/26,73,基準(zhǔn)程序(benchmark),2020/4/26,74,基準(zhǔn)程序(benchmark),1988年，EETimes與SUN,MIPS,HP,Apollo,DEC聯(lián)合成立SPEC,尋找一組標(biāo)準(zhǔn)的程序，輸入數(shù)據(jù)，度量方法來公正地衡量不同系統(tǒng)的性能。,2020/4/26,75,SPEC,1989年第一版，10個(gè)程序，用一個(gè)數(shù)值來表示性能（相對于VAX11/780）SPEC92,6個(gè)整數(shù)，14個(gè)浮點(diǎn)程序SPEC95,8個(gè)整數(shù)，10個(gè)浮點(diǎn)程序一般3-5年更新一個(gè)版本SPEC2000,2020/4/26,76,SPEC,1989年第一版,2020/4/26,77,性能改進(jìn),2020/4/26,78,性能改進(jìn),2020/4/26,79,Amdahl’sLaw（另一種表述）,例：假設(shè)一個(gè)程序在一臺機(jī)器上運(yùn)行需要100秒，其中乘法指令執(zhí)行占80秒，那么，為了使執(zhí)行性能提高到原來的4倍，需要將乘法指令性能改進(jìn)多少倍呢？如果要使執(zhí)行性能提高到原來的5倍呢？,2020/4/26,80,Amdahl’sLaw（另一種表述）,Amdahl定律：執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)部分執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后=---------------+執(zhí)行時(shí)間未改進(jìn)部分改進(jìn)比率加速比受程序中沒有改進(jìn)部分的制約。或者解釋為：總的性能提高取決于所改進(jìn)部分在整體中所占的比例大小。,2020/4/26,81,哈工大微電子中心研制的Lilac,500thousandgatesdiearea4x4mm2329pinsoperatesat133MHz,2020/4/26,82,本章小結(jié),在所有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關(guān)鍵的，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有時(shí)就簡稱為指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循的定量設(shè)計(jì)原則有：只加速使用頻率高的功能部件；系統(tǒng)受慢速部件約束以及訪問具有局部性。衡量計(jì)算機(jī)性能的最常用標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)間和速度決定CPU性能的主要參數(shù)是時(shí)鐘（或速率）、每條指令所需平均時(shí)鐘周期數(shù)以及程序的指令數(shù),數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,$2.1數(shù)據(jù)類型一、概述1.數(shù)據(jù)分類（軟件的角度）（1）用戶定義的數(shù)據(jù)（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)（運(yùn)行時(shí)間環(huán)境）（3）指令2.數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)類型除了是指一組值的集合外，還定義了可作用于這個(gè)集合上的操作集。例如：整數(shù)數(shù)據(jù)類型是指整數(shù)值集合與可作用于該整數(shù)值集合的算術(shù)操作集合的合成。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,二、基本數(shù)據(jù)類型1.二進(jìn)制位及其位串2.整數(shù)及自然數(shù)（正整數(shù)）3.實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)數(shù)）4.字符和布爾數(shù)三、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型1.定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型是一組由相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復(fù)合而成的數(shù)據(jù)類型。例如：向量和數(shù)組、字符串、堆棧、隊(duì)列和記錄等都屬于這類結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,$2.2數(shù)據(jù)表示一、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系1.定義（1）數(shù)據(jù)表示是指可由硬件直接辨認(rèn)的數(shù)據(jù)類型（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型的組織方式，它反映了在應(yīng)用中所用到的各種數(shù)據(jù)元素或信息單元間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。例如：常用的向量、表、樹、隊(duì)列和矩陣等均是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種形式，通常計(jì)算機(jī)硬件是無法直接識別這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們必須變換成數(shù)據(jù)表示方可為計(jì)算機(jī)所識別。2.區(qū)別數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所研究的課題是如何用最少的存儲空間來存儲這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及采用什么樣的算法能最快、最簡單地存儲和訪問它們。數(shù)據(jù)表示要考慮的是正確、可靠、便于機(jī)器處理和節(jié)省存儲空間。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,二、二進(jìn)制的定點(diǎn)、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示1.二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示形式（1）符號數(shù)值（2）反碼（3）補(bǔ)碼（4）帶偏移增值碼注：其中最常用的是補(bǔ)碼形式,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,2.二進(jìn)制浮點(diǎn)表示（1）IEEE754標(biāo)準(zhǔn)介紹IEEE754標(biāo)準(zhǔn)是IEEE于1985年公布并1990年審核的浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在此標(biāo)準(zhǔn)公布前，不同計(jì)算機(jī)公司設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)在浮點(diǎn)數(shù)的處理方面均按照各自的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如在字長、精度、舍入方式等等存在很大的差異。IEEE754的出現(xiàn)在一定程度上規(guī)范了計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算單元的設(shè)計(jì)規(guī)則。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）浮點(diǎn)數(shù)的表示方法(二進(jìn)制)(-1)S2E(b0.b1b2b3b4…bp-1)S：Sign-bit0or1E:Exponentbi:0or1b1b2b3b4…bp-1小數(shù)部分(fraction),數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,單精度浮點(diǎn)數(shù)存儲格式,雙精度浮點(diǎn)數(shù)存儲格式,尾數(shù)f=b1b2b3b4…bp-1b0為隱含位，那么b0是如何表示的呢？,浮點(diǎn)數(shù)的表示方法（續(xù)）,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點(diǎn)數(shù)的表示方法（續(xù)）,指數(shù)偏移量BWhybiasedformat?當(dāng)真值用補(bǔ)碼表示時(shí)，由于符號位和數(shù)值部分一起編碼，很難從補(bǔ)碼的形式上直接判斷其真值的大小。如：X=21，對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為+10101，則[x]補(bǔ)=010101；X=-21，對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為-10101，則[x]補(bǔ)=110101；從形式上看，會(huì)得出110101>010101,其實(shí)恰恰相反。若對每個(gè)真值加上一個(gè)2^(n-1)-1,情況就發(fā)生了變化：X=010101加上2^5-1可得010101+011111=110100；X=110101加上2^5-1可得110101+011111=010100；比較可得，110100>010100。這樣，從代碼本身就可看出真值得大小。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,指數(shù)偏移量BWhy127?127=2^(8-1)-1.e=E+B?0下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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