计算机系统结构复习汇总.ppt
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1、第1章 计算机系统结构的基本概念张晨曦 刘依,1.1 引言1.2 计算机系统结构的概念1.3 定量分析技术1.4 计算机系统结构的发展1.5 计算机系统结构中并行性的发展,第一台通用电子计算机诞生于1946年 计算机技术的飞速发展得益于两个方面 计算机制造技术的发展 计算机系统结构的创新经历了4个发展过程,1.1 引 言,1.1 引言,1.1 引言,功耗问题(已经很大)。可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少。存储器访问速度的提高缓慢。,1.1 引言,系统结构的重大转折:从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。,计算机系统硬件/固
2、件软件计算机语言从低级向高级发展 高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强,更便于应用,但又都以低级语言为基础。从计算机语言的角度,把计算机系统按功能划分成 多级层次结构。每一层以一种语言为特征,1.2 计算机系统结构的概念,1.2.1 计算机系统的层次结构,软件,硬件或固件,1.2 计算机系统结构的概念,虚拟机:由软件实现的机器 语言实现的两种基本技术翻译:先把N+1级程序全部转换成N级程序后,再去执行新产生的N级程序,在执行过程中N+1级程序不再被访问。解释:每当一条N+1级指令被译码后,就直接去执行一串等效的N级指令,然后再去取下一条N+1级的指令,依此重复进行。解释执行比编译后再执
3、行所花的时间多,但占用的存储空间较少。,1.2 计算机系统结构的概念,计算机系统结构的经典定义程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。按照计算机系统的多级层次结构,不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。透明性在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。,1.2.2 计算机系统结构的定义,1.2 计算机系统结构的概念,Amdahl提出的系统结构 传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。广义的系统结构定义:指令集结构、组成、硬件(计算机设计的3个方面)对于通用寄存器型机器来说,这些属性主要是指:指令系统 包括机器指令的操作类型和格式、指令间
4、的排序和控制机构等。数据表示 硬件能直接识别和处理的数据类型。寻址规则 包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。,1.2 计算机系统结构的概念,寄存器定义(包括各种寄存器的定义、数量和使用方式)中断系统(中断的类型和中断响应硬件的功能等)机器工作状态的定义和切换(如管态和目态等)存储系统(主存容量、程序员可用的最大存储容量等)信息保护(包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持),1.2 计算机系统结构的概念,I/O结构包括I/O连接方式、处理机/存储器与I/O设备之间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等计算机系统结构概念的实质:确定计算机系统中软、硬件的界面,界面之上是软件实现的功能,界面之下
5、是硬件和固件实现的功能。,1.2 计算机系统结构的概念,1.2.3 计算机组成和计算机实现,计算机系统结构:计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。着眼于:物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。,1.2 计算机系统结构的概念,计算机实现:计算机组成的物理实现包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集 成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。着眼于:器件技术(起主导作用)、微组装技术。,一种体系结构
6、可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。,1.2 计算机系统结构的概念,系列机 由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。例如,IBM公司的IBM 370系列,Intel公司的x86系列等。,1.2.4 计算机系统结构的分类,常见的计算机系统结构分类法有两种:Flynn分类法、冯氏分类法,1.2 计算机系统结构的概念,冯氏分类法用系统的最大并行度对计算机进行分类。最大并行度:计算机系统在单位时间内能够处理 的最大的二进制位数。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统,其横坐标表示字宽(n位),纵坐标表示一次能同时处理的字数(m字)。mn就表示了其最
7、大并行度。Flynn分类法 按照指令流和数据流的多倍性进行分类。指令流:计算机执行的指令序列。,1.2 计算机系统结构的概念,1.2 计算机系统结构的概念,数据流:由指令流调用的数据序列。多倍性:在系统受限的部件上,同时处于同一执 行阶段的指令或数据的最大数目。Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类: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)4类计算机的基本结构IS:指令流,DS:数据流,CS:控制流,CU:控制部件,PU:处理部件,MM和SM:存储器。,4个定量原理:以经常性事件为重点对经常发生的情况采用优化方法的原则
8、进行选 择,以得到更多的总体上的改进。优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或 者分配更多的电能等。,1.3 定量分析技术,1.3.1 计算机系统设计的定量原理,1.3 定量分析技术,Amdahl定律 加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比,受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。系统性能加速比:,加速比,系统性能改进后,系统性能改进前,总执行时间改进前,总执行时间改进后,1.3 定量分析技术,加速比依赖于两个因素可改进比例:在改进前的系统中,可改进部分的执 行时间在总的执行时间中所占的比例。它总是小于等于1。例如:一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速,那么这个比例就是
9、20/60。部件加速比:可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。一般情况下部件加速比是大于1的。例如:若系统改进后,可改进部分的执行时间是2秒,而改进前其执行时间为5秒,则部件加速比为5/2。,1.3 定量分析技术,改进后程序的总执行时间,总执行时间改进后 不可改进部分的执行时间 可改进部分改进后的执行时间总执行时间改进后(1可改进比例)总执行时间改进前,+,(1 可改进比例)+总执行时间改进前,可改进比例,部件加速比,可改进比例总执行时间改进前,部件加速比,1.3 定量分析技术,系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比,加速比,总执行时间改进前,总执行
10、时间改进后,(1可改进比例)+,可改进比例,部件加速比,1,1.3 定量分析技术,例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的20倍,但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%,则采用此提高性能的方法后,能使整个系统的性能提高多少?解 由题可知,可改进比例=40%=0.4,部件加速比=20 根据Amdahl定律可知:采用此提高性能的方法后,能使整个系统的性能提高到原来的1.613倍。,总加速比=,1,0.6+,0.4,20,=1.613,1.3 定量分析技术,例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后,使浮点运算速度提高到原来的20倍,而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的5倍,
11、试计算该程序中浮点操作所占的比例。解 由题可知,部件加速比=20,系统加速比=5 根据Amdahl定律可知 由此可得:可改进比例=84.2%即程序中浮点操作所占的比例为84.2%。,1.3 定量分析技术,Amdahl定律:一种性能改进的递减规则如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进,则改 进得越多,所得到的总体性能的提升就越有限。重要推论:如果只针对整个任务的一部分进行改 进和优化,那么所获得的加速比不超过 1/(1可改进比例),1.3 定量分析技术,CPU性能公式执行一个程序所需的CPU时间CPU时间=执行程序所需的时钟周期数时钟周期时间其中,时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。每条指令执行的
12、平均时钟周期数CPI(Cycles Per Instruction)CPI=执行程序所需的时钟周期数IC IC:所执行的指令条数程序执行的CPU时间可以写成 CPU时间=IC CPI 时钟周期时间,1.3 定量分析技术,CPU的性能取决于3个参数时钟周期时间:取决于硬件实现技术和计算机组成。CPI:取决于计算机组成和指令集结构。IC:取决于指令集结构和编译技术。对CPU性能公式进行进一步细化 假设:计算机系统有n种指令;CPIi:第i种指令的处理时间;ICi:在程序中第i种指令出现的次数;则 CPU时钟周期数=(CPIi ICi),n,i=1,1.3 定量分析技术,CPU时间=执行程序所需的时
13、钟周期数时钟周期时间=(CPIiICi)时钟周期时间CPI可以表示为CPI=其中,(ICi/IC)反映了第i种指令在程序中所占的比例。,i=1,n,时钟周期数,IC,(CPIiICi),i=1,n,IC,(CPIi),i=1,n,ICi,IC,1.3 定量分析技术,例1.3 考虑条件分支指令的两种不同设计方法:(1)CPUA:通过比较指令设置条件码,然后测试条件码进行分支。(2)CPUB:在分支指令中包括比较过程。在这两种CPU中,条件分支指令都占用2个时钟周期,而所有其他指令占用1个时钟周期。对于CPUA,执行的指令中分支指令占20%;由于每条分支指令之前都需要有比较指令,因此比较指令也占2
14、0%。由于CPUA在分支时不需要比较,因此CPUB的时钟周期时间是CPUA的1.25倍。问:哪一个CPU更快?如果CPUB的时钟周期时间只是CPUA的1.1倍,哪一个CPU更快呢?,1.3 定量分析技术,解 我们不考虑所有系统问题,所以可用CPU性能公式。占用2个时钟周期的分支指令占总指令的20%,剩下的指令占用1个时钟周期。所以 CPIA=0.2 2+0.80 1=1.2则CPUA性能为 总CPU时间A=ICA 1.2 时钟周期A根据假设,有 时钟周期B=1.25 时钟周期A 在CPUB中没有独立的比较指令,所以CPUB的程序量为CPUA的80%,分支指令的比例为,1.3 定量分析技术,20
15、%/80%=25%这些分支指令占用2个时钟周期,而剩下的75%的指令占用1个时钟周期,因此 CPIB=0.25 2+0.75 1=1.25因为CPUB不执行比较,故 ICB=0.8 ICA因此CPUB性能为 总CPU时间B=ICB CPIB 时钟周期B=0.8 ICA 1.25(1.25 时钟周期A)=1.25 ICA 时钟周期A,1.3 定量分析技术,在这些假设之下,尽管CPUB执行指令条数较少,CPUA因为有着更短的时钟周期,所以比CPUB快。如果CPUB的时钟周期时间仅仅是CPUA的1.1倍,则 时钟周期B=1.10 时钟周期ACPUB的性能为 总CPU时间B=ICB CPIB 时钟周期
16、B=0.8 ICA 1.25(1.10 时钟周期A)=1.10 ICA 时钟周期A 因此CPUB由于执行更少指令条数,比CPUA运行更快。,1.3 定量分析技术,程序的局部性原理 程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的,而是相对地簇聚。常用的一个经验规则程序执行时间的90%都是在执行程序中10%的代码。程序的时间局部性程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空间局部性 程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。,1.3 定量分析技术,执行时间和吞吐率 如何评测一台计算机的性能,与测试者看问题的角度有关。用户关心的是:单个程序的执行时间(执行单个 程序所
17、花的时间很少)数据处理中心的管理员关心的是:吞吐率(在单 位时间里能够完成的任务很多),1.3.2 计算机系统的性能评测,1.3 定量分析技术,假设两台计算机为X和Y,X比Y快的意思是:对于给定任务,X的执行时间比Y的执行时间少。X的性能是Y的n倍,即而执行时间与性能成反比,即,执行时间Y,执行时间X,=n,n=,执行时间Y,执行时间X,性能Y,1,性能X,1,性能X,性能Y,1.3 定量分析技术,执行时间可以有多种定义:计算机完成某一任务所花费的全部时间,包括磁盘访问、存储器访问、输入/输出、操作系统开销等。CPU时间:CPU执行所给定的程序所花费的时间,不包含I/O等待时间以及运行其他程序
18、的时间。用户CPU时间:用户程序所耗费的CPU时间。系统CPU时间:用户程序运行期间操作系统耗费的 CPU时间。,1.3 定量分析技术,基准测试程序 用于测试和比较性能的基准测试程序的最佳选择是真实应用程序。(例如编译器)以前常采用简化了的程序,例如:核心测试程序:从真实程序中选出的关键代码段构 成的小程序。小测试程序:简单的只有几十行的小程序。合成的测试程序:人工合成出来的程序。Whetstone与Dhrystone是最流行的合成测试程序。从测试性能的角度来看,上述测试程序就不可信了。,1.3 定量分析技术,原因:这些程序比较小,具有片面性;系统结构设计者和编译器的设计者可以“合谋”把他们的
19、计算机面向这些测试程序进行优化设计,使得 该计算机显得性能更高。性能测试的结果除了和采用什么测试程序有关以 外,还和在什么条件下进行测试有关。基准测试程序设计者对制造商的要求采用同一种编译器;对同一种语言的程序都采用相同的一组编译标志。,1.3 定量分析技术,一个问题:是否允许修改测试程序的源程序三种不同的处理方法:不允许修改。允许修改,但因测试程序很复杂或者很大,几乎是无法修改。允许修改,只要保证最后输出的结果相同。基准测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成。(能比较全面地反映计算机在各个方面的处理性能)SPEC系列:最成功和最常见的测试程序套件(美国的标准性能评估公司开发),1.3 定
20、量分析技术,台式计算机的基准测试程序套件可以分为两大类:处理器性能测试程序,图形性能测试程序SPEC89:用于测试处理器性能。10个程序(4个整数程序,6个浮点程序)演化出了4个版本SPEC92:20个程序SPEC95:18个程序SPEC2000:26个程序SPEC CPU2006:29个程序SPEC CPU2006,1.3 定量分析技术,整数程序12个(CINT2006)9个是用C写的,3个是用C+写的浮点程序17个(CFP2006)6个是用FORTRAN写的,4个是用C+写的,3个是用C写的,4个是用C和FORTRAN混合编写的。SPEC测试程序套件中的其他一系列测试程序组件SPECSFS
21、:用于NFS(网络文件系统)文件服务器的测试程序。它不仅测试处理器的性能,而且测试I/O系统的性能。它重点测试吞吐率。SPECWeb:Web服务器测试程序。,1.3 定量分析技术,SPECviewperf:用于测试图形系统支持OpenGL库的性能。SPECapc:用于测试图形密集型应用的性能。事务处理(TP)性能测试基准程序:用于测试计算机在事务处理方面的能力,包括数据库访问 和更新等。20世纪80年代中期,一些工程师成立了称为TPC的独立组织。目的是开发用于TP性能测试的真实而又公平的基准程序。先后发布了多个版本:TPC-A、TPC-C、TPC-H、TPC-W、TPC-App等(主要是用于测
22、试服务器的性能),1.3 定量分析技术,用于测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的测试套件 PCMark04:中央处理器测试组、内存测试组、图形芯片测试组、硬盘测试组等。Business Winstone 2004:主要用于测试计算机系统商业应用的综合性能。Multimedia Content Creation Winstone 2004:主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能。SiSoft Sandra Pro 2004:一套功能强大的系统分析评比工具,拥有超过30种以上的分析与测试模块。主要包括:CPU、存储器、I/O接口、I/O设备、主板等。,性能比较,两个
23、程序在A、B、C三台计算机上的执行时间,1.3 定量分析技术,1.3 定量分析技术,如何比较这3台计算机的性能呢?从该表可以得出:执行程序1:A机的速度是B机的10倍A机的速度是C机的20倍B机的速度是C机的2倍执行程序2:B机的速度是A机的100倍C机的速度是A机的50倍B机的速度是C机的2倍,1.3 定量分析技术,总执行时间:计算机执行所有测试程序的总时间B机执行程序1和程序2的速度是A机的50.05倍C机执行程序1和程序2的速度是A机的24.02倍B机执行程序1和程序2的速度是C机的2倍平均执行时间:各测试程序执行时间的算术平均值其中,Ti:第i个测试程序的执行时间 n:测试程序组中程序
24、的个数,1.3 定量分析技术,加权执行时间:各测试程序执行时间的加权平均值其中,Wi:第i个测试程序在测试程序组中所占的比重 Ti:该程序的执行时间,1.4 计算机系统结构的发展,1.4.1 冯诺依曼结构,存储程序计算机的结构,1.4 计算机系统结构的发展,存储程序原理的基本点:指令驱动程序预先存放在计算机存储器中,计算机一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。冯诺依曼结构的主要特点以运算器为中心。在存储器中,指令和数据同等对待。指令和数据一样可以进行运算,即由指令组成的程序是可以修改的。存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结 构,每个单元的位数是
25、固定的。,1.4 计算机系统结构的发展,指令的执行是顺序的。一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行。程序的分支由转移指令实现。由指令计数器PC指明当前正在执行的指令在存储器 中的地址。指令由操作码和地址码组成。指令和数据均以二进制编码表示,采用二进制运算。,1.4 计算机系统结构的发展,对系统结构进行的改进输入/输出方式的改进采用并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性?在不同的级别采用并行技术。例如,微操作级、指令级、线程级、进程级、任务级等。,1.4 计算机系统结构的发展,存储器组织结构的发展相联存储器与相联处理机通用寄存器组高速缓冲存储器Cache指令集的发展 两个发展方向:复杂指令集计
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