计算机系统结构课件第1章

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最大并行度的表示方法：
处理机名(m，n)
冯泽云分类法（续）
按冯泽云分类法，可分为：
（1）字串位串 （WSBS） 串行计算机；m=1，n=1；如：EDVAC(1，1)
（2）字并位串 （WPBS） 传统单处理机；m=1，n>1；如：Pentium(32，1) （3）字串位并 （WSBP） 并行计算机、MPP、相联计算机；m>1，n=1； 如：MPP(1，16384)，STARAN(1，256) （4）字并位并 （WPBP） 全并行计算机；m>1，n>1； 如：ASC(64，32)，IILIAC IV(64，64)，PEPE(32，288)， Cmmp(16，16) 主要缺点： 仅考虑数据并行，没有考虑指令的并行
第1章 计算机系统结构的基本概念
本章要回答的问题是： 什么是“计算机系统结构”？ 研究的主要问题是什么？ 与其他课程的关系如何？
1.1 计算机系统结构
1 计算机系统的层次结构 虚拟计算机： 从不同角度所看到的计算机系统属性是不同的 主要观察者： 应用程序员、高级语言程序员、汇编语言程序员、系 统管理员、硬件设计人员 对计算机系统的认识应该建立在某一个层次上
（ 4 25% ） （ 1.33 75%) 2.0
25%
F
其他操作 CPI 其他 = 1.33 CPI 原系统 =2.0
改进方案 1： 将FP中的FPSQR的CPI由原来的20变为2。
FP操作，25%
改进前：
23%
2%
75%
FPSQR操作，CPI=20 CPI 原系统 =2.0
M M … M M
CU1 CU2 … CUn
DS1 DS2
PU1
PU2 … PUn
IS1
IS2
IS2
ISn
DSn
ISn
控制部件和处理部件均并行工作，多数据流
Flynn分类法的特点
（1）应用广泛 （2）分类太粗 在SIMD中包括有多种处理机 对流水线处理机的划分不明确，标量流水线为SISD，向 量流水线为SIMD （3）根本问题是把两个不同等级的功能并列对待，数据流 受指令流控制，造成MISD不存在 （4）非冯计算机的分类？其他新型计算机的分类
或： 定义： CPI： IC： 则：
每条指令执行时所花费的平均时钟周期数 程序执行的指令条数
CPI＝CPU时钟周期数 / IC CPU时钟周期数＝CPI×IC CPU时间 =（CPI×IC）/频率
CPI是评价CPU性能的重要指标 例： 8088 CPI＝20
80486 Pentium II CPI＝2 CPI＝0.3
分析： 尽管将该部件的速度加快了10倍，但整个系统的加速比 仅提高了1.56倍。 原因：该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，所 占比例不大。
例1.2 求浮点数的平方根（FPSQR），设其占整个时间的20%。 方案1： 改进硬件，速度加快10倍。 方案2： 改进FP指令，速度加快2倍。设FP指令占50% 解： 按方案1 可改进部分 20% 不可改进部分 80% 1/10 不可改进部分 80%
Flynn（弗林）分类法 基本思想： 按照指令流和数据流的多倍性特征进行分类 指令流：机器执行的指令序列。 数据流：由指令流调用的数据序列。 多倍性(multiplicity)：在系统性能瓶颈部件上同时处 于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
四种类型： 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 MIMD
例： Cray1： 1个CPU， k =1 ， k′=1 12个相当于ALU或PE的处理部件，d = 12 最多8级流水线， d′=8 字长为64位，w = 64 可以实现1~14位流水线， w′= 1~14 则Cray1表示为： t(Cray1)=( 1，12×8，64(1~14) )
1.2
计算机系统的设计技术
提高CPI的途径: 提高CPU频率、减少指令条数。 为了计算CPI，要计算CPU时钟周期总数：
n
CPU时钟周期总数 (CPI i I i )
而： CPU时间 [ (CPIi I i )] 时钟周期长度
n i 1 i 1
所以： CPI
(CPI I )
i 1 i i
DS1 DS2 DSn
MM … MM
Flynn（弗林）分类法（续） (3) 多指令流单数据流 MISD
DS
MM …
IS1
CU1 CU2 … CUn
DS
PU1 PU2
IS2
ISn
MM
PUn
控制部件和处理部件均并行工作，单数据流
Flynn（弗林）分类法（续） (4) 多指令流多数据流 MIMD
IS1
冯泽云分类法
基本思想
用最大并行度对计算机系统进行分类
最大并行度Pm： 单位时间内能处理的最大二进制位数。 设同时处理的字宽为n，位宽为m，则最大并行度定义为： Pm=m×n
平均并行度Pa：设每个时钟周期 △ti 内能同时处理的二进位数为 Pi ，则 T 个时钟周期内的平均并行度为：
Pa
P t
4 计算机系统结构的分类 通常分类
（1） 按性价比划分 以性能为特征，按价格来划分： 巨型、大型、中型、小型、 微型机。 问题：划分的标准是随时间而变化，每5年左右降低一个等级。 （2） 按应用领域划分
科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。
（3） 按应用领域划分 单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理 机、超标量处理机、超流水线处理机、SMP（对称多处理机）、 MPP（大规模并行处理机）、机群（Cluster）系统等。
例1.1
假设将某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： 已知：Fe =0.4，Se=10，求Sn。依 Amdahl定律： 1 Sn 1.56 1 0.4 0.4 / 10
可改进部分 40% 不可改进部分 60% 1/10 不可改进部分 60%
透明性： 定义：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 例：CPU类型、型号、主存储器容量等 对应用程序员 对系统程序员、硬件设计人员等 例：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 对汇编语言程序员、机器语言程序员 例：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 对硬件设计人员、计算机维修人员
1.2.2 CPU的性能公式
（1） CPI ——每条指令执行时所花费的平均时钟周期数 基本概念 CPU时间： 一个程序所花的CPU时间，不包括I/O等待时间 CPU时钟周期： CPU运行的时钟的周期，是频率的倒数 CPU时间 = CPU时钟周期数/频率 CPU时间 = CPU时钟周期数×时钟周期长
已知：Fe =0.4，Se=10，则：
按方案2
Sn
1 1.22 1 0.2 0.2 / 10
可改进部分 50%
不可改进部分 50%
1/2
已知：Fe =0.5，Se=2，则：
不可改进部分 50%
1 Sn 1.33 1 0.5 0.5 / 2
分析：
方案2成本较低，且效果更好。
—— 加快经常性事件原理
在计算机系统结构中，加快经常性事件的速度原理是普遍 原则，Amdahl定律就是用来解决这个问题的。
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用总执行时间的比例有关， 用加速比
Sn
表示：
加速比： Sn = 改进后的性能/改进前的性能 或： Sn = 改进前执行某任务时间/改进前执行某任务时间
Handler （汉德勒 ）分类法
基本思想
根据并行度和流水线分类 把计算机硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行性和 流水处理程度： （1）程序级k：程序控制部件(PCU)的个数； （2）操作级d：算术逻辑部件(ALU)或处理部件(PU)的个数； （3）逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的逻辑线路(ELC)的套数。
基本观念： 计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同 等的。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 但他们的系统结构是相同的。 基本问题： 不同的组成将导致不同的性能和价格 系列计算机概念： 相同系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统
3 计算机组成与实现 计算机组成（Computer Organization） 内容： 计算机系统结构的逻辑实现。如：确定数据通路的宽度； 各种操作对功能部件的共享程度；专用的功能部件；功能部 件的并行度；设计缓冲和排队策略；设计控制机构；采用何 种可靠性确定技术 计算机实现 内容： 计算机组成的物理实现。处理机、主存储器等部件的物 理结构。如：器件的集成度和速度；专用器件的设计；器件、 模块、插件、底版的划分与连接；信号传输技术；制造工艺 及技术等
Amdahl定律：
T0 改进前执行时间 改进前： 改进后：
A：
可改进部分
B：改进后
C：不可改进部分
C：不可改进部分
Tn 改进后执行时间 定义 Fe = A / T0, 即可改进部分占的比例， ≤1 Se = A / B，即改进前后的比例, ≥1 于是， Amdahl定律写为： 加速比：
T0 1 Sn Tn (1 Fe ) Fe / Se
改善系统结构的性能的主要目标： “快” 器件“快”
器件的发展会受到器件自身制造工艺的影响，存在极限
结构“快” 处理： 采用并行处理的方式（指令、时间、空间）
存储： Cache，存储容量大，可靠性高
传输： 传输快，准确