高等计算机系统结构(第五讲)
合集下载
高等计算机系统结构-Readppt课件
3． Patterson D.A.，Hennesy J.L.， Computer Organization & Design：The Hardware／Software Interface。
高等计算机系统结构
第一章 高等计算机的核心技术——并行处理 第二章 加速比性能模型与可扩展性分析 第三章 互连与通信 第四章 划分与调度 第五章 并行存储器系统 第六章 Cache Coherence 第七章 Memory Consistency 第八章 指令级并行处理 第九章 微处理器设计与实现方法 第十章 网格计算
5.作业级并行 粗粒度并行，数万条指令，常由加载程序
和操作系统处理这类并行性，靠算法有效性 来保证。
一般说来： 细粒度：用并行化或向量化编译器来开发， 共享变量通信支持。 中粒度：靠程序员和编译器一起开发，共享 变量通信。 粗粒度：取决于操作系统和算法的效率，消 息传递通信。
例子：共享存储型多处理机上执行：
计算机科学与技术系研究生课程
高等计算机系统结构
清华大学计算机科学与技术系高性能计算研究所
郑纬民 教授
2005年5月
高等计算机系统结构课程介绍
教材
1．Kai Huang著，王鼎兴、郑纬民、沈美 明译，高等计算机系统结构 并行性 可 扩展性 可编程性，清华大学出版社。
2．Patterson D.A.，Hennesy J.L.， Computer Architecture：A Quantitative Approach，Morgan Kanfmann Publishers， 1995。
按粒度的不同，并行性级别可以分为指令 级、循环级、过程级、子程序级和作业级等 不同的层次。它们对应的计算粒度可以为细 粒度、中粒度和粗粒度。如下：
高等计算机系统结构
第一章 高等计算机的核心技术——并行处理 第二章 加速比性能模型与可扩展性分析 第三章 互连与通信 第四章 划分与调度 第五章 并行存储器系统 第六章 Cache Coherence 第七章 Memory Consistency 第八章 指令级并行处理 第九章 微处理器设计与实现方法 第十章 网格计算
5.作业级并行 粗粒度并行，数万条指令，常由加载程序
和操作系统处理这类并行性，靠算法有效性 来保证。
一般说来： 细粒度：用并行化或向量化编译器来开发， 共享变量通信支持。 中粒度：靠程序员和编译器一起开发，共享 变量通信。 粗粒度：取决于操作系统和算法的效率，消 息传递通信。
例子：共享存储型多处理机上执行：
计算机科学与技术系研究生课程
高等计算机系统结构
清华大学计算机科学与技术系高性能计算研究所
郑纬民 教授
2005年5月
高等计算机系统结构课程介绍
教材
1．Kai Huang著，王鼎兴、郑纬民、沈美 明译，高等计算机系统结构 并行性 可 扩展性 可编程性，清华大学出版社。
2．Patterson D.A.，Hennesy J.L.， Computer Architecture：A Quantitative Approach，Morgan Kanfmann Publishers， 1995。
按粒度的不同，并行性级别可以分为指令 级、循环级、过程级、子程序级和作业级等 不同的层次。它们对应的计算粒度可以为细 粒度、中粒度和粗粒度。如下：
计算机系统结构课件
浮点数据就是高级语言课程中所说的“实型数”。
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
计算机系统结构
加速比可以表示如下：
Ws + G(n)Wp S = * = * Ws +Wp / n Ws + G(n)Wp / n
* n * s * p
W +W
其中：
在单个处理机上顺序执行的工作负载与问题的规模 或系统的规模无关，即：
Ws = Ws' = W
* s
而G(n)反映的是存储容量增加n倍时并行工作负载增 加的倍数。
增大问题规模的办法使所有处理机保持忙碌状态，在问题扩大到 与可用的计算能力匹配时，程序中的顺序部分就不再是瓶颈了。 当处理器数目n=1024，加速比Sn随α变化的情况如下：
S1024' = n −α(n −1 =1024 −1023 ) α
Sn’
1100
1050
1024
1000
1014 1004
993 983
W +W s p Sn = W +W / n s p
设串行因子α为串行部分所占的比例。即
W s W p α= 或 −α = 1 W +W s p W +W s p
代入即得Amdahl’law：
W +W s p 1 W +W s p ∴Sn = = W s W /n p α + (1−α) / n + W +W s p W +W s p
2.1.3 三种加速比性能模型
1.固定负载加速比性能模型—Amdahl定律
在许多实时应用领域，计算负载的大小常固 定。在并行机中，此负载可分布至多台并行执行， 获得的加速比称为fixed-load speedup。一个问题的 负载可表示如下： W = Ws + Wp 其中，Ws代表问题中不可并行化的串行部分负载， Wp表示可并行化的部分负载。 则n个节点情况下，加速比可以表示如下：
高等计算机系统结构幻灯片PPT
Cycl Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7
I
n
Ifetch
Reg
DMem
Reg
s
t
r.
Ifetch
Reg
DMem
Reg
O
r
Ifetch
Reg
DMem
Reg
d
e
r
Ifetch
Reg
DMem
Reg
现代计算机体系结构
3
Instruction-Level Parallelism (ILP)
• Pipelining
• Two approaches to exploiting ILP
– Dynamic & Hardware-dependent
• Intel Pentium Series, Athlon, MIPS R10000/12000, Sun UltraSPARC III, PowerPC, …
Exploitation • Chapter 4. Data-Level Parallelism in Vector, SIMD, and
GPU Architectures • Chapter 5. Thread-Level Parallelism • Chapter 6. Warehouse-Scale Computers to Exploit
• An instruction j is data dependent on instruction i if either – i produces a result that may be used by j, or – j is data dependent on instruction k, and k is data dependent on i.
高等计算机系统结构
高等计算机系统结构概述高等计算机系统结构（High-level Computer System Architecture）指的是计算机系统的整体结构和组织方式，包括硬件和软件的组成部分以及它们在计算机系统中的相互作用和协调关系。
计算机系统结构的设计需要考虑系统的性能、可靠性、可扩展性等方面的要求，以满足用户的需求。
主要组成部分一个高等计算机系统结构通常由以下几个主要组成部分组成：中央处理器（Central Processing Unit，CPU）中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，负责执行计算机指令、控制和调度计算机系统的各个部件之间的数据传输。
CPU由运算器、控制器和寄存器等组成，它们协同工作以完成对指令的解析和执行。
存储器（Memory）存储器是计算机系统中用于存放数据和指令的设备，分为主存和辅存两种。
主存是CPU能够直接访问的存储空间，它的访问速度很快，但容量有限。
辅存是主存的扩展，容量比主存大得多，但访问速度较慢。
存储器的容量和访问速度直接影响计算机系统的性能。
输入输出设备（Input/Output Devices，I/O Devices）输入输出设备是计算机系统与外部世界进行数据交互的接口，包括键盘、鼠标、打印机、显示器等。
这些设备负责将用户的输入信息传递给计算机系统，并将计算机系统处理的结果反馈给用户。
输入输出设备的性能和功能的好坏直接关系到用户的体验和计算机系统的实际应用效果。
总线（Bus）总线是计算机系统中用于连接各个组件之间进行数据传输的通道，包括数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线负责数据的传输，地址总线负责指定操作对象的地址，控制总线负责传递控制信号。
总线的带宽和传输速度直接影响计算机系统的数据传输效率。
组织结构在高等计算机系统结构中，通常采用分层或模块化的方式来组织系统的各个组成部分，以实现功能的复用和模块化的管理。
分层结构分层结构将计算机系统划分为不同的层次，每个层次完成特定的功能，并向上一层提供服务。
计算机系统结构课件详解演示文稿
第26页，共138页。
设操作数的有效地址
( X d ) (B2 ) (B2 0000) d2
由分析器内的地址加法器形成。由于通常情况下，“分析” 周期等于主存周期，所以，从时间关系上要求在“分析”周 期的前半段，就能由通用寄存器输出总线取得(B2)，送入地址 加法器。由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用 寄存器组的，它当然不能立即出现在通用寄存器输出总线上。
第11页，共138页。
图 5.4 当第k条指令是条件转移时
第12页，共138页。
• 例一、数据相关。
• 第K+1条指令的源操作数正好是第K条指令结果地址，顺 序解释没问题，而重叠解释时，在“执行K”和“分析 K+1”重叠时就出现问题
• 相关：因程序相邻指令之间出现了关联，为防止出错他们不能同时 解释。这种现象称发生了”相关“，有数据相关和指令相关。
也就是说，在“执行k”得到的、送入通用寄存器的运算结果 来不及作为“分析k+2”的基址值用，更不用说作为“分析 k+1”的基址值用。因此，虽然是一次重叠，但基址值相关(B
相关)就不止会出现一次相关，还会出现二次相关。即当出现
B(k+1)=L3(k) 时 ， 称 为 发 生 了 B 一 次 相 关 ； 而 当 出 现 B(k+2)=L3(k)时，称为发生了B二次相关，如图5.10所示。
计算机系统结构课件详解演示 文稿
第1页，共138页。
优选计算机系统结构课件
第2页，共138页。
5.1 重叠解释方式
5.1.1 基本思想和一次重叠
取指令
分析
执行 t
图 5.1 对一条机器指令的解释
第3页，共138页。
取指令:按指令计数器的内容访问主存,取出该指令送指令
设操作数的有效地址
( X d ) (B2 ) (B2 0000) d2
由分析器内的地址加法器形成。由于通常情况下，“分析” 周期等于主存周期，所以，从时间关系上要求在“分析”周 期的前半段，就能由通用寄存器输出总线取得(B2)，送入地址 加法器。由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用 寄存器组的，它当然不能立即出现在通用寄存器输出总线上。
第11页，共138页。
图 5.4 当第k条指令是条件转移时
第12页，共138页。
• 例一、数据相关。
• 第K+1条指令的源操作数正好是第K条指令结果地址，顺 序解释没问题，而重叠解释时，在“执行K”和“分析 K+1”重叠时就出现问题
• 相关：因程序相邻指令之间出现了关联，为防止出错他们不能同时 解释。这种现象称发生了”相关“，有数据相关和指令相关。
也就是说，在“执行k”得到的、送入通用寄存器的运算结果 来不及作为“分析k+2”的基址值用，更不用说作为“分析 k+1”的基址值用。因此，虽然是一次重叠，但基址值相关(B
相关)就不止会出现一次相关，还会出现二次相关。即当出现
B(k+1)=L3(k) 时 ， 称 为 发 生 了 B 一 次 相 关 ； 而 当 出 现 B(k+2)=L3(k)时，称为发生了B二次相关，如图5.10所示。
计算机系统结构课件详解演示 文稿
第1页，共138页。
优选计算机系统结构课件
第2页，共138页。
5.1 重叠解释方式
5.1.1 基本思想和一次重叠
取指令
分析
执行 t
图 5.1 对一条机器指令的解释
第3页，共138页。
取指令:按指令计数器的内容访问主存,取出该指令送指令
系统工程第五讲--ISM（解释结构模型）
系统⼯程第五讲--ISM（解释结构模型）第五讲解释结构模型法本章学习要点解释结构模型法是⽤于分析教育技术研究中复杂要素间关联结构的⼀种专门研究⽅法，作⽤是能够利⽤系统要素之间已知的零乱关系，揭⽰出系统的内部结构。
解释结构模型法的具体操作是⽤图形和矩阵描述出各种已知的关系,通过矩阵做进⼀步运算，并推导出结论来解释系统结构的关系.本章介绍了解释结构模型的基本概念；论述了解释结构模型法应⽤的具体步骤；以“⽹络化学习与传统学习的差异分析”为案例说明解释结构模型法在教育技术研究中的具体应⽤。
通过本章的学习,应了解解释结构模型的基本概念,明确有向图、邻接矩阵和可达矩阵的含义，掌握解释结构模型法应⽤的步骤，熟练运⽤解释结构模型法分析解决教育技术研究中的具体问题。
本章内容结构系统结构的有向图⽰法有向图的矩阵描述邻接矩阵的性质可达矩阵系统要素分析建⽴邻接矩阵进⾏矩阵运算，求出可达矩阵对可达矩阵进⾏分解差异特征要素分析要素强弱分析解释结构模型分析WBT的层级模型与因果关系分析第⼀节解释结构模型法的基本概念定义：解释结构模型法（InterpretativeStructuralModellingMethod,简称ISM⽅法）ISM⽅法是现代系统⼯程中⼴泛应⽤的⼀种分析⽅法，它在揭⽰系统结构，尤其是分析教学资源内容结构和进⾏学习资源设计与开发研究、教学过程模式的探索等⽅⾯具有⼗分重要作⽤，它也是教育技术学研究中的⼀种专门研究⽅法。
⼀、系统结构的有向图⽰法有向图形——是系统中各要素之间的联系情况的⼀种模型化描述⽅法。
它由节点和边两部分组成节点——利⽤⼀个圆圈代表系统中的⼀个要素，圆圈标有该要素的符号；边——⽤带有箭头的线段表⽰要素之间的影响。
箭头代表影响的⽅向。
例1：在教育技术应⽤中的计算机辅助教学（CAI）其过程可以简单表⽰为：教师设计CAI课件提供给学⽣⾃主学习，CAI课件通过计算机向学⽣显⽰教学内容，并对学⽣提问，学⽣根据计算机的提问作出反应回答。
高等计算机系统结构课程大纲(精)
高等计算机系统结构课程大纲通过本课程学习，能够比较全面地掌握计算机系统的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并建立起计算机系统的完整概念。
第一章计算机系统结构的基本概念1.计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。
2.计算机系统结构的分类3.计算机系统设计的定量原理4.访问的局部性原理。
5.系统结构的评价标准第二章.指令系统1. 指令系统是计算机系统中软件与硬件的接口。
2. 数据表示3.寻址方式4.指令格式的优化设计5.指令系统的功能设计6.复杂指令系统计算机7.精简指令系统计算机第三章.存储系统1.提高存储器性能的主要方法有层次存储器、并行存储器、缓冲技术、先行控制技术等。
2.存储系统的主要性能参数：3.块/页的定位问题;替换问题;一致性问题。
第四章.输入输出系统1．磁盘存储器的技术指标。
2．输入输出系统,输入输出系统的异步性、实时性和设备无关性。
3. 程序控制输入输出方式、直接存储器访问方式（DMA）和中断输入输出方式。
4．字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
5．输入输出处理机第五章．标量处理机与流水线1.先行控制技术（look-ahead）。
2.流水线的原理、特点及其分类。
3.流水线的性能分析。
第六章．向量处理机1.向量处理的方式:横向处理方式：向量计算是按行的方式从左至右横向进行;纵向处理方式：向量计算是按列的方式自上而下纵向进行;纵横处理方式：横向处理和纵向处理相结合的方式.2. 两种向量处理机结构：存储器—存储器结构;寄存器—寄存器结构。
3.提高向量处理机性能的常用技术:链接技术;向量循环或分段开采技术;向量递归技术;4.向量指令的处理时间第七章．互连网络1.互连网络基本概念2.互连函数:为了反映不同互连网络的连接特性,每种互连网络可用一组互连函数来描述.3.互连网络的特性:网络规模;结点度;距离;网络直径;等分宽度;结点间线长对称性;网络的传输性能特性4.互连网络分类:静态互连网络;动态互连网络5.消息传递机制:线路交换;存储转发寻径;虚拟直通;虫蚀寻径.第八章．并行处理机和多处理机1.并行处理机模型2.并行处理机基本结构:分布式存储器结构;共享存储器结构3.多处理机结构的主要特点.4.种多处理机基本结构：共享存储器结构和本地存储器结构。
第1章-计算机系统结构(第五版)李学干【可编辑全文】
3.
1) 系列机只能在系统结构相同或相近(允许向后稍许发展) 的机器之间实现汇编语言软件的移植。 要求原来在B机器上运行的应用软件，能移植到有不同 系统结构的A机器上，根据层次结构概念，可把B机器的机器 语言看成是在A机器的机器语言级之上的一个虚拟机器语 言，在A机器上用虚拟机概念来实现B机器的指令系统，如图 1 - 6所示。
图 1-6 用模拟方法实现应用软件的移植
如果能直接用微程序去解释B机器的指令，如图1 - 7所 示，显然就会加快这一解释过程。
仿真和模拟的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微 程序解释，其解释程序存在于控制存储器中; 而模拟是用机 器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。
3) 不同系列间的软件移植一般是仿真和模拟并行。
TCPUICCPI1fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为 CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
TCP U i n1 (CP iIIi)1 fc
这样
n
CP Ii1CIC P iIi i n1CP iIIIiC
为了反映程序的运行速度，通常引入如下一些定量指
(1) MIPS(Million Instructions Per Second，百万条指令 数每秒)
1 MFLOPS≈3 MIPS
2. 在设计计算机系统时，一般应遵循如下的定量设计原
理：
(1) 哈夫曼(Huffman)压缩原理。 (2) Amdahl定律。 性能可改进比fnew是系统性能可改进部分占用的时间与未 改进时系统总执行时间的比值，显然，0≤fnew≤1。部件加速 比rnew是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值。不 难看出，rnew＞1
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 1.6 本章小结
计算机导论杨月江版第五讲
计算机综合理论 第五讲
第五讲 计算机软件基础
目录
CONTENTS
01 计算机软件系统概述 02 操作系统概述 03 常用操作系统简介 04 Windows操作系统介绍 05 本章小结
01
计算机软件系统概述
1.1 计算机软件系统概述
计算机系统由计算机硬件系统和软件系统两部分。硬件部分包括：中央处理器、存储器和外 部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接受和存储信息、按程序快 速计算和判断并输出处理结果等功能。
操作系统是方便用户管理和控制计算机软硬件资源的系统软件。从用户角度看，操作系统是对计算
机硬件的扩充；从人机交互方式看，操作系统是用户与计算机的接口；从计算机的系统结构看，从做系
统是一种层次、模块结构的程序集合，属于有序分层法，是无序模块的有序层次调用。操作系统在设计
方面体现了计算机技术和管理技术的结合。其作用，对内实现计算机各种资源的管理和扩充硬件功能；
注 ： 在 Win10 的 笔 记 本 上 ， 选 择 【计算机】右键【计算机管理】，可以查 看设备管理、系统共享文件夹、本地用户 和组、性能、磁盘管理和服务与应用程序 管理等
4.2 Windows桌面的组成
控制面板图标（操作演示）
控制面板实际上提供了一个供用户进行系统设置及配置的系列通道，通过控制面板的相应操作种类可进行 诸如用户账户、显示、区域和语言、网络、防火墙、程序与功能，个性化等一系列设置。
计算机属性（操作演示）
选择【计算机】右键【属性】，即打开系统属性窗口，在此可以查看该台计算机安装的操作系统版本信息、 处理器和内存等基本性能指标以及计算机名称等重要信息。
选择【计算机】右键【设备管理器】，即打开该计算机的设备及状态信息显示页面，在此可查看处理器、 磁盘驱动器、网络适配器、显示适配器等设备信息
第五讲 计算机软件基础
目录
CONTENTS
01 计算机软件系统概述 02 操作系统概述 03 常用操作系统简介 04 Windows操作系统介绍 05 本章小结
01
计算机软件系统概述
1.1 计算机软件系统概述
计算机系统由计算机硬件系统和软件系统两部分。硬件部分包括：中央处理器、存储器和外 部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接受和存储信息、按程序快 速计算和判断并输出处理结果等功能。
操作系统是方便用户管理和控制计算机软硬件资源的系统软件。从用户角度看，操作系统是对计算
机硬件的扩充；从人机交互方式看，操作系统是用户与计算机的接口；从计算机的系统结构看，从做系
统是一种层次、模块结构的程序集合，属于有序分层法，是无序模块的有序层次调用。操作系统在设计
方面体现了计算机技术和管理技术的结合。其作用，对内实现计算机各种资源的管理和扩充硬件功能；
注 ： 在 Win10 的 笔 记 本 上 ， 选 择 【计算机】右键【计算机管理】，可以查 看设备管理、系统共享文件夹、本地用户 和组、性能、磁盘管理和服务与应用程序 管理等
4.2 Windows桌面的组成
控制面板图标（操作演示）
控制面板实际上提供了一个供用户进行系统设置及配置的系列通道，通过控制面板的相应操作种类可进行 诸如用户账户、显示、区域和语言、网络、防火墙、程序与功能，个性化等一系列设置。
计算机属性（操作演示）
选择【计算机】右键【属性】，即打开系统属性窗口，在此可以查看该台计算机安装的操作系统版本信息、 处理器和内存等基本性能指标以及计算机名称等重要信息。
选择【计算机】右键【设备管理器】，即打开该计算机的设备及状态信息显示页面，在此可查看处理器、 磁盘驱动器、网络适配器、显示适配器等设备信息
193_广工计算机系统结构课件第五章解析
• 21
tiger September 2016
*
5.2 流水线处理机
■ 空间并行性(同时性并行,资源重复)■ 设置多个独立的操作部件 ■ 多操作部件处理机 ■ 超标量处理机
■ 时间并行性(并发性并行,时间重叠) ■ 采用流水线技术 ■ 不增加或只增加少量硬件就能使运算速度提高几倍 ■ 流水线处理机 ■ 超流水线处理机
5.1 先行控制技术
■5.1.1 指令的重叠执行方式 ■1 顺序执行方式
• 取指令k• 分析k• 执行k • 取指令k+1 • 分析k+1 • 执行k+1
■ 执行n条指令所用的时间
■ 如每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间 ■ T=3nt
■ 主要优点：控制简单，节省设备 ■ 主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率低
•2
tiger September 2016
*
第五章 标量处理机
■ 标量处理机 ■ 只有标量数据表示和标量指令系统的处理机
■ 提高指令执行速度的主要途径 ■ 提高处理机的工作主频 ■ 采用更好的算法和设计更好的功能部件 ■ 采用指令级并行技术
■ 三种指令级并行处理机 ■ 流水线处理机和超流水线(Super-pipelining)处理机 ■ 超标量(Superscalar)处理机 ■超长指令字(VLIW: Very Long Instruction Word)处理机 ■ 同时性并行?并发性并行?
■ 如果三过程的时间相等，执行n条指令的时间：T=(2+n)t ■ 理想情况下同时有三条指令在执行 ■ 处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式
•8
tiger September 2016
*
计算机系统结构
最大负数：
1 rm
rmreq
1 227 2
最小负数：
2129 1.471039
（1 rm p ) rmreq 1 (1 255 ) 227 1 (1 255 ) 2127 1.701038
表数精度：
1 rm
rm( p1)
1 2(551) 255 2.781017 2
OPC M OPC M, M OPC M, M, M 面向堆栈的寻址方式： OPC OPC M
2、间接寻址方式与变址寻址方式的比较 目的相同：
都是为了解决操作数地址的修改问题
都能做到不改变程序而修改操作数地址
原则上，一种处理机中只需设置间址寻址 方式与变址寻址方式中的任何一种即可， 有些处理机两种寻址方式都设置
计算机系统结构 （第5讲）
计算机系统结构
第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机
第六章 向量处理机
第七章 互连网络
第八章 并行处理机和 多处理机
第二章 指令系统
指令系统是计算机系统结构的主要组 成部分
指令系统是软件与硬件分界面的一个 主要标志
move adr, adi ;保存目标数组起始地址
move num, cnt ;保存数据的个数
loop: move @asi, @adi ;用间址寻址方式传送数据
inc asi
;源数组的地址增量
inc adi
;目标数组的地址增量
dec cnt
;个数减1
bgt loop
;测试n个数据是否传送完
halt
;停机
asr: as
;源数组的起始地址
adr: ad
;目标数组的起始地址
全国2022年10月高等教育自学考试02325《计算机系统结构》试题(真题)
24.简述紧耦合多处理机以软件为基础实现多Cache的一致性的优缺点及应用场合。
25.简述阻塞式网络产生阻塞的原因及其解决方法。
四、简单应用题:本大题共2小题,每小题10分,共20分。
26.设某虚拟存储器上运行的程序含5个虚页,其页地址流依次为4,5,3,2,5,1,3,2,5,1,3。用LRU替换。
(2)考虑题目的要求,设计优化实用的操作码形式,并计算其操作码的平均码长。
29.在一个4段的流水线处理机上需经过6拍才能完成一个任务,其预约表如题29表所示。
(1)写出延迟禁止表,冲突向量。
(2 )画出流水线状态转移图。
(3)求出最小平均间隔拍数及其最佳调度方案。
14.在满足通道设计流量不低于设备工作时的最大流量时，为使微观上不丢失设备信息,可以加设一定容量的________或动态提高低速设备的响应_________来弥补。
15.为了提高访问Cache的命中率,Cache的取算法有________预取和________预取两种不同的预取方法。
16.为洞时解释相邻两条或多条指令，常用的控制方式是_________。
20.在紧耦合多处理机中,为了减少访问主存冲突,主存一般采用________存取;为了减少访问主存的次数,处理机还可以自带
三、简答题:本大题共5小题,每小题6分,共30分。
21.简述计算机程序时间上的局部性和空间.上的局部性。
22.简述标志符数据表示的概念和标志符数据表示存在的两个问题。
23.简述中断系统和作用。
A.舍人法
B.截断法
C.恒置“1”法
D.查表舍人法
4.通道程序执行结束后引起的中断是
A.外中断
B. I/0中断
C.程序性中断
D.机器校验中断
25.简述阻塞式网络产生阻塞的原因及其解决方法。
四、简单应用题:本大题共2小题,每小题10分,共20分。
26.设某虚拟存储器上运行的程序含5个虚页,其页地址流依次为4,5,3,2,5,1,3,2,5,1,3。用LRU替换。
(2)考虑题目的要求,设计优化实用的操作码形式,并计算其操作码的平均码长。
29.在一个4段的流水线处理机上需经过6拍才能完成一个任务,其预约表如题29表所示。
(1)写出延迟禁止表,冲突向量。
(2 )画出流水线状态转移图。
(3)求出最小平均间隔拍数及其最佳调度方案。
14.在满足通道设计流量不低于设备工作时的最大流量时，为使微观上不丢失设备信息,可以加设一定容量的________或动态提高低速设备的响应_________来弥补。
15.为了提高访问Cache的命中率,Cache的取算法有________预取和________预取两种不同的预取方法。
16.为洞时解释相邻两条或多条指令，常用的控制方式是_________。
20.在紧耦合多处理机中,为了减少访问主存冲突,主存一般采用________存取;为了减少访问主存的次数,处理机还可以自带
三、简答题:本大题共5小题,每小题6分,共30分。
21.简述计算机程序时间上的局部性和空间.上的局部性。
22.简述标志符数据表示的概念和标志符数据表示存在的两个问题。
23.简述中断系统和作用。
A.舍人法
B.截断法
C.恒置“1”法
D.查表舍人法
4.通道程序执行结束后引起的中断是
A.外中断
B. I/0中断
C.程序性中断
D.机器校验中断
高等计算机系统结构
IF
ID
பைடு நூலகம்
IF
IF
EX WR EX EX ID EX WR EX EX ID EX WR EX EX
每拍启动1条指令，要求并行度=3
主要特点： 单一的控制流。只有一个控制器，每个周 期启动一条长指令。 超长指令字被分成多个控制字段，每个字 段直接独立的控制每个功能部件。 含有大量的数据通路和功能部件，由于编 译器在编译时间已经考虑可能出现的数据相关 和资源相关，故控制硬件比较简单。 在编译阶段完成超长指令中多个可并行执 行操作的调度（超长指令字的生成是由编译器 完成）。
假设FP ALU 使用另一个FP ALU指令操作结 果需要等待3个周期，STORE指令欲使用由FP ALU指令产生的结果需要等待2个周期，FP ALU 指令使用LOAD的结果等待1个周期。 则上面过程的实际执行情况如下：
Loop：
LD F0, 0(R1) STALL ADDD F4, F0, F2 STALL STALL SD 0(R1), F4 SUB R1, R1, #8 BNEZ R1, Loop STALL
压缩技术——表调度法：
LOAD A LOAD I LOAD M LOAD B LOAD J STORE C STORE K STORE L C=A+B K=I+J L=M-K Q=C*K
STORE Q
只需要6个周期。 超标量结构、超流水线结构一般采用指令窗方 法，把一段指令（长度为窗口的大小，例为8） 取到窗口中，判断这段指令能否并行执行。
8.1.2 减少每条指令执行的平均周期数
RISC比CISC机器的CPI（Cycles per Instruction，平均周期数）要小。 CISC一般用微码技术，一条指令往往要用 好几个周期才能实现，复杂指令所需的周期 数则更多，CISC机器CPI一般为4-6； RISC一般指令一个周期完成，所以CPI=1， 但LOAD、STORE等指令要长些，所以RISC 机器的CPI 约大于1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
M2:主存储器
b 页面B
M3:磁盘 存储器
a 页面A
b 页面B
段G
段F 段单位 a 页面A 段F b 页面B 段G
M4:磁带机 后援存储器
5.2.2 一致性(coherence)
1.一致性定义 同一个信息项与后继存储器层次的副本是 一致的. 如果在高速缓存中的一个字被修改过,那 么在所有更高层上该字的副本也必须立即或最 后加以修改 .
每
高速缓存
位 成 本 增 加
存储器
五个参数:
存取时间ti:从CPU到第i层存储器的往返时间 存储器容量Si:第i层的字节或字的数量 每字节成本Ci:第i层存储器的成本为CiSi 传输带宽bi:相邻层之间传送信息的速率 传输单位Xi:i和i+1层之间数据传送的粒度 对存储器系统中各层次存储器的特性,1993 年的统计数据如下表:
5.3.1 命中率
在Mi中找到一个信息项时,称之为命中,反 之称为缺失. 假定在层次结构中的存储器层次为Mi和Mi-1, 其中i=1,2,…,n.在Mi层的命中率hi则是信 息项可在Mi中找到的概率.它是表示两个相邻 层Mi-1和Mi特性的函数.在Mi中的缺失率定义为 1-hi.
相继层的命中率是存储器容量,管理策略 和程序行为的函数,它是独立的随机变量,其 值在0到1之间.我们假设h0=0和hn=1,这意味 着CPU总是先访问M1,并且访问到最外层Mn时总 是命中的. 对Mi的访问频率为:
解:
C = C S1 + C2S2 + C3S3 ≤15000 1 代 有 S3 = 39.8GB 入 : yte T = h t1 + (1 h )h2t2 + (1 h )(1 h2 )h3t3 ≤10.04 eff 1 1 1 代 可 t2 = 903ns 入 得
如果在同样的预算限制条件下,要吧主存储 器容量提高64M字节,那么只好以减少磁盘容 量为代价,但是这一变化并不影响高速缓存的 命中率.如果使用合适的页面替换算法,可能 会增加主存储器的命中率,Teff有所降低.
5.4.1 共享存储和分布存储
MIMD系统可以分为两种: (1)tightly coupled shared-Memory multiprocessors (2)loosely coupled distributed-Memory multiprocessors 它们可以用图表示如下:
P1 share-Memory multiprocessors SM1
2.维护一致性的两种策略 (1)写直达(write-through,WT),即如果 在Mi(i=1,2,…,n-1)中修改了一个字,则 在Mi+1中需要立即修改. (2)写回(write-back,WB),即如果在 Mi+1 中的修改延迟到Mi中正在修改的字被替换 时才进行.
5.2.3 局部性(locality)
T = ∑ fiti = h t1 + ( h )h2t2 + 1 eff 1 1
1 i= n
+ ( h )( h2 ) 1 hn1)hntn 1 1 ( 1
5.3.3 层次结构的优化
目标: 使Teff接近于M1的t1, 总成本接近于Mn的Cn. 优化过程可以表达为:对一个线性规划求 最小值问题:
虚拟共享存储器的逻辑结构:
CPU1 LM1 CPU2 LM2 …… CPUn LMn 地址映射 部件
地址映射 地址映射 部件 部件
……
虚拟共享存储器
MIMD机器存储系统的发展方向:
共享存储器
分布存储器
共享分布存储器
2.DSM系统的特点 在DSM系统中,每一台处理机都可以访问全 局存储器的任一位置,用户可以把它当成全局共 享存储器系统. 优点: 编程容易 系统结构灵活 可扩展性好 系统价格低 有较好的软件移植性
计算机科学与技术系研究生课程
高等计算机系统结构
清华大学计算机科学与技术系高性能计算研究所
郑纬民 教授
2007年10月
高等计算机系统结构
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 高等计算机的核心技术——并行处理 加速比性能模型与可扩展性分析 互连与通信 划分与调度 并行存储器系统 Cache Coherence Memory Consistency 指令级并行处理
fi = (1 h )(1 h2 ) 1 h 1)h ( 1 i i
是指在较低层次有i-1次缺失而在Mi有一次 命中时访问Mi成功的概率.
n
∑f
i= 1
i
=1 f1 = h , 1
通常情况下,有:
f1 >> f2 >>>> fn
这说明,访问内存比访问外存要多.
5.3.2 有效存取时间
每当发生缺失时,就要付出代价去访问较 高层次的存储器.这种缺失在Cache中称为块 缺失.在主存储器中称为缺页错(page fault),因为块和页面是这些层次之间传送 信息的单位. 缺页错付出的时间代价要比块缺失付出的 更大:
DSM系统编制的程序比用消息传递方式编制的 程序效率高: (1)在DSM系统中,数据都是以块的方式进行传 送,如果一个程序具有较高的局部性,则当把一 个数据块传送到一个结点后,该结点对它的访问 就成为本地访问,而消息传递方式的每次访问都 需要通讯.
第五章 并行存储器系统 5.1 存储器系统的层次结构 5.2 包含性,一致性和局部性 5.3 存储器容量的规划
5.3.1 中率 5.3.2 有效存取时间
5.4 虚拟存储器技术 5.5 交叉访问的存储器
5.3 存储器容量的规划
存储器层次结构的性能是由层次结构的有 效存取时间Teff决定的,它依赖于相继层 次的命中率和访问频率.
Si > 0, ti > 0, 对 i =1 2, n 于 , , Ctotal = ∑Ci Si < C0 (总 格 上 ) , 价 的 限 时
i= 1 n
要 有 存 时 T = ∑ fiti减 最 值 将 效 取 间 eff 到 小 .
i= 1
n
例子:存储器层次结构设计
存储器层次 高速缓存 主存储器 磁盘阵列 存取时间 容量 价格/K字节
第五章 并行存储器系统 5.1 存储器系统的层次结构 5.2 包含性,一致性和局部性 5.3 存储器容量的规划 5.4 虚拟存储器技术
5.3.1 共享存储和分布存储 5.3.2 DSM与SVM 5.3.3 虚拟存储器的主要技术
5.5 交叉访问的存储器
5.4 虚拟存储器技术
提要: 虚拟存储器提供了几乎没有限制的存储 器工作空间. 虚拟地址在编译时产生. 虚拟地址到物理地址的转换在运行时进 行,需要使用转换表和映象系统. 替换策略.
存储器层次 第0层 第1层 第2层 第3层 第4层 特性 CPU寄存器 高速缓存 主存储器 磁盘存储器 磁带存储器 设备工艺 存取时间 容量(字节) ECL 10ns 512B SRAM 25-40ns 128KB 72 250-400 DRAM 60-100ns 512MB 5.6 80-133 磁盘机 10-20ms 磁带机 2-20min
60-228GB 512G-2TB 0.23 3-5 0.01 0.18-0.23
成本(美分/KB) 18000 带宽(MB/S) 400-800 传送单位 字:4-8B
块:32B 页:0.5-1KB
文件:5- 后援存储器 512KB
分配管理 编译器分配 硬件控制 操作系统 操作系统/ 操作系统/ 用户 用户
t1 = 25ns s1=512K字节 c1=1.25美元 t2 = 未知 s2=32M字节 c2=0.2美元 t3 = 4ms s3 = 未知 c3=0.0002美元
要达到有效存取时间Teff=10.04s,高速缓存 命中率为h1=0.98,主存储器命中率h2=0.9,总 成本上限为15000美元.
分布存储器: 系统结构灵活,可扩展性好; 处理机数目可达成百上千,处理速度有 巨大的发展潜力; 算法设计,编程以及任务动态分配比较 困难; 很难在处理机之间传递复杂的数据结构, 难于进程迁移; 不能支持需要存储空间的大规模数据处 理要求.
分布存储的两种编程方法:
(1)message-passing,用send,receive 原语实现通信,要求程序员在进程的整个运行 期间对数据的移动都很清楚; (2)romote procedure call,语言一级传 送控制与数据,可以看作是本地调用,但透明 度有限.
2. 相邻层之间的数据传送单位 CPU高速缓存:字 高速缓存主存储器:块(每块32个字节 (8个字)) 主存磁盘:页面(比如每页4K字节,包 含128块) 磁盘磁带:段 包含性可以用下面的图来说明:
M1:高速缓存
CPU寄存器 字单位 …… a …… 块单位 a 页面A 页单位
b
a,b为高速缓存 块,32个字节
第五章 并行存储器系统 5.1 存储器系统的层次结构 5.2 包含性,一致性和局部性
5.2.1 包含性 5.2.2 一致性 5.2.3 局部性
5.3 存储器容量的规划 5.4 虚拟存储器技术 5.5 交叉访问的存储器
5.2 包含性,一致性和局部性
5.2.1 包含性(inclusion)
1. 包含性的定义 M0 M1 M2…… Mn 所有信息项最初存放在最外层Mn,在处 理过程中,它的子集复制到Mn-1,同样, Mn-1的子集复制到Mn-2,…… 如果在Mi中找到一个信息字,那么同一个 字的复制品在所有的高层Mi+1,Mi+2,……, Mn中都一定可以找到.
第五章 并行存储器系统 5.1 存储器系统的层次结构 5.2 包含性,一致性和局部性 5.3 存储器容量的规划 5.4 虚拟存储器技术 5.5 交叉访问的存储器
5.1 存储器系统的层次结构