计算机系统结构随书清华大学出本社.ppt
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1、计算机系统结构课程介绍,Computer Architecture “建筑学”、“建筑物的设计或式样”,通常是指一个系统的外貌。 计算机系统结构 计算机体系结构 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,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的属性。 软硬件功能分配及分界面的确定 学习目的 建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理,学科方向 一级学科:计算机科学与技术 二级学科:计算机系统结构、计算机软件 计算机应用技术 与其他课程的交叉 主要包括:计算机组成原理、计算机操作系统、汇编语言、数据
2、结构、微机原理、高级语言等 新内容:超标量处理机、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机等 交叉点内容:提高,建立完整概念,教材 计算机系统结构,清华大学出版社,郑玮民,汤志忠编著,2001年第二版 主要参考书 1 Advanced Computer Architecture and Parallel processing Hesham EL-Rewini, 2李学干,苏东庄,计算机系统结构,西安电子科技大学出版社。,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
3、 第九章 多处理机,第一章 基本概念,1.1 计算机系统结构的定义 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计方法 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类,1.1 计算机系统结构的定义 1.1.1 两种定义 1. 定义一 Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出: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:编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的,概念结构,功能特性:指令系统及其执行模式 数据表示:硬件能够直接辩认和处理的数据类型和格式; 寻址方式:最小寻址单位、寻址方式的种
4、类和地址运算等; 寄存器组织:操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等; 指令系统:机器指令的操作类型、格式,指令间的排序和控制机制等;,中断系统:中断类型、中断级别和中断响应方式等; 存储系统:最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等; 处理机工作状态:定义和切换方式,如管态和目态等; 输入输出系统:连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等; 信息保护:包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。,2. 透明性概念 本来存在的事物或属性,从某种角度看似乎不存在 例如:浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员透明 对汇编语言程序员、机器语言程
5、序员 不透明 例如:数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明 对硬件设计者、计算机维修人员不透明,3. 定义二:计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 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。 不同的组成只是性能和价格不同。,1.1.2 计算机组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现,主要包括: 确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略,设计控制机构 确定采用何种可靠性技术 1.1.3 计算机系统的实现 计算机实
6、现是指计算机组成的物理实现,包括: 处理机、主存储器等部件的物理结构 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 电源、冷却及装配技术,相关制造工艺及技术等,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,但随着技术、器件和应用的发展,三者之间的界限越来越模糊。,1.1. 4 计算机系统的层次结构 1. 虚拟机概念 从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的,包括: 高级语言程序员、汇编语言程序员、系统管理员、硬件设计者 大部分人对计算机的认识只需要在某一个层次上,2. 层次结构,(接下页),2. 层次结构 第0级由硬件实现 第1级由微程序实现
7、 第2级至第6级由软件实现 由软件实现的机器称为:虚拟机 第2级是传统指令系统(机器语言)机器 第3级是操作系统机器 操作系统是运行在第级上的解释程序 第4级是汇编语言机器,第5级是高级语言机器 第6级是应用语言机器 从学科领域来划分 第0和第1级属于计算机组成与系统结构 第3至第5级是系统软件 第6级是应用软件,它们之间仍有交叉 第0级要求一定的数字逻辑基础 第2级涉及汇编语言程序设计的内容 第3级与计算机系统结构密切相关。 在特殊的计算机系统中,有些级别可能不存在。,第一章 基本概念,1.1 计算机系统结构的定义 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计方法 1.4 计算机系
8、统结构的发展 1.5 计算机系统的分类,1.2 计算机系统的评价标准:性能和价格 1.2.1 性能评测的常用方法:运算速度 1. 时钟频率(主频):用于同类处理机之间 如:Pentium/450 比 Pentium/300快50, 2. 指令执行速度 一种很经典的表示方法 MIPS (Million Instructions Per Second), KIPS, GIPS, TIPS,其中,Fz为处理机的工作主频;CPI (Cycles Per Instruction)为每条指令所需的平均时钟周期数;IPC (Instruction Per Cycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数 例1:
9、 计算Pentium II 450处理机的运算速度。 解:由于PentiumII 450处理机的IPC2 (或CPI0.5), Fz450MHz,因此, MIPSPentium II 450FzIPC4502900(MIPS),主要缺点: (1)不同指令的速度差别很大 (2)指令使用频度差别很大 (3)有相当多的非功能性指令,3. 等效指令速度:吉普森(Gibson)法 其中, Wi:指令使用频度,i:指令种类 静态指令使用频度:在程序中直接统计,动态指令使用频度:在程序执行过程中统计 在计算机发展的早期,用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度。通常:加、减法50,乘法15,除法5,程序控制1
10、5,其他15 例2: 我国最早研制的小型计算机DJS-130,定点16位,加法每秒50万次,但没有硬件乘法和除法指令,用软件实现乘法和除法,速度低100倍左右。求等效速度。,解: 定点等效速度为: 即每秒2万次,由于乘法和除法用软件实现,等效速度降低了25倍。 例3: 假设在程序中浮点开平方操作FPSQR的比例为2,它的CPI为100;其他浮点操作FP的比例为23,它的CPI 4.0;,其余75指令的CPI1.33,计算该处理机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也为4.0,重新计算等效CPI。 解: 由于改进了仅占2的FPSQR操作的CPI,使等效速度提高了近一倍。,等效CPI1 100
11、2423 1.3375 3.92 等效CPI2 4251.3375 2.00,4. 核心程序法 把应用程序中用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。称为基准程序 (benchmark) 整数测试程序:Dhrystone 用C语言编写,100条语句。包括:各种赋值语句,各种数据类型和数据区,各种控制语句,过程调用和参数传送,整数运算和逻辑操作。 VAX-11/780的测试结果为每秒1757个,Dhrystones,即:1VAX MIPS1757 Dhrystones/Second 浮点测试程序:Linpack 用FORTRAN语言编写,主要是浮点加法和浮点乘法操作。 用 MFLO
12、PS(Million Floating Point Operations Per Second)表示;GFLOPS、TFLOPS Whetstone基准测试程序 用FORTRAN语言编写的综合性测试程序,,主要包括:浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移、超越函数。 测试结果用Kwips表示。 SPEC基准测试程序 (System performance evaluation Cooperative) 由30个左右世界知名计算机大厂商所支持的非盈利的合作组织,包括:IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Moto
13、lola、SGI、SUN、Unisys等;,SPEC能够全面反映机器的性能,具有很高的参考价值; 以VAX-11/780的测试结果作为基数;,SPEC1.0 1989年10月宣布,程序量超过15万行,包含10个测试程序, 4个定点程序,6个浮点程序;测试结果用SPECint89和SPECfp89表示。 1992年,又增加10个测试程序,共有6个定点程序和14个浮点程序,测试结果用SPECint92和SPECfp92表示。 1995年,推出SPECint95和SPECfp95,处理机 SPECint95 SPECfp95 PentiumII 400 18.5 13.3 PentiumII 450
14、 18.7 13.7 PentiumIII 500 20.6 14.7 PientiumIII 550 22.3 15.6 Celeron 300A 12.0 9.66 Celeron 333 13.1 10.20 Celeron 366 14.1 10.70 Celeron 400 15.1 11.20 Celeron 433 16.1 11.60 Celeron 466 17.0 12.00,TPC基准程序 Transaction Processing Council(事务处理委员会) 成立于1988年,已有40多个成员; 用于评测计算机的事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持等方面的性
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