计算机体系结构课件第1章

透明 不透明 透明 不透明 透明 不透明
计算机系统结构定义： 定义1 Amdahl（阿姆达尔）的定义
程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功 能特性 程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系 统 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须 了解到的。
定义2
由软件或硬件来实现某功能的界面来确定
计算机层次结构共分为7级： 应用 软件 用户 高级程序员 汇编语言程序员 系统员 机器语言设计员 逻辑设计员 硬件设计、维 护员
第六级：应用程序 第五级：高级语言计算机
系统 软件
第四级：汇编语言计算机 第三级：操作系统 第二级：机器语言计算机 第一级：微程序控制
硬件 第０级：硬联逻辑
2 计算机系统结构的定义
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
怎样 “快”？
经常遇到的问题是：加快经常性事件的速度。
1.2.1 Amdahl定律
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) )
1.2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
计算机系统的设计技术
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
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%
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。
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%
FP操作 CPI FP = 4.0
75%
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
计算机系统结构
武汉工业学院 计算机系
课程简介
课程名称:
Computer Architecture 计算机系统结构,也称计算机体系结构 建筑物的设计或式样，通常指一个系统的外貌
研究内容:
从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象 为编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解 到的计算机属性
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。
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
Flynn（弗林）分类法（续） (1) 单指令流单数据流 SISD IS
CU
CU — 控制部件 IS — 指令流 顺序处理计算
PU
DS
MM
MM — 存储器模块
PU — 处理部件 DS — 数据流
Flynn（弗林）分类法（续） (2) 单指令流多数据流 SIMD
IS
PU CU PU PU
处理部件并行工作
n
IC
(CPIi
i 0
n
Ii ) IC
其中： I i —— i 指令在程序中执行的次数 CPIi —— i 指令所需的平均时钟周期
例1.3 （Page 11）
解: 由条件1： 改进前的FP操作的比例为25%， CPI FP = 4.0， 得改进前CPU的CPI为: n I CPI原 系 统 (CPIi i ) IC i 0
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
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
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
表示方法： t (系统型号)=(k，d，w)
例： t(EDVAC)=(1，1，1) t(Pentium)=(1，1，32) t(STARAN)=(1，8192，1) t(ILLIAC IV)=(1，64，64) t(Cmmp)=(16，1，16)
Handler 分类法（续）
为了表示流水线，采用： t(系统型号)=( k×k′，d×d′，w×w′) 其中： k′ 宏流水线中程序控制部件的个数 d′ 流水线中算术逻辑部件的个数 w′ 流水线中基本逻辑线路的套数
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
—— 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
i 1 i
T
i
T
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)