【正文】 基本概念 計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù) 計算機(jī)實現(xiàn)是指計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)主要包括： 處理機(jī)、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)； 器件的集成度和速度； 專用器件的設(shè)計； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號傳輸技術(shù)； 電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。 隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。 1/28/2023 26 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)算速度 存儲器系統(tǒng) 其他性能 價格標(biāo)準(zhǔn) 計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn) 1/28/2023 27 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)算速度 運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。 有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。 哪一種表示方法合理？ 1. 時鐘頻率（處理機(jī)主頻） 只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機(jī) 如： Pentium4 Pentium4 25%? Pentium4 Pentium4 50%? 只表示 CPU的指令處理能力 實際運(yùn)算速度還與 Cache、內(nèi)存、 I/O、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。 1/28/2023 28 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中 : Fz為處理機(jī)的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為 每條指令所需的平均時鐘周期數(shù) IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù) 例 1： 計算 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。 MI P S 10 FzC P I IP C F z6? ? ? ? ?指令條數(shù)執(zhí)行時間1/28/2023 29 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 解： 由于 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的 IPC＝ 4（或 CPI＝ ） , Fz＝ 2023MHz 因此， MIPSPentiumIV2G＝ Fz?IPC＝ 2023?4 ＝ 8000MIPS＝ 8GIPS 即 每秒鐘 80億次 (平均每秒鐘執(zhí)行 80億條指令 ) ? 主要優(yōu)點： 直觀、方便。 目前還經(jīng)常使用 ? 主要缺點 : (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大 (2) 指令使用頻度差別很大 (3) 有相當(dāng)多的非功能性指令 1/28/2023 30 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 等效指令速度： 吉普森（ Gibson）法： 加減法 50％，乘法 15％，除法 5％，程序控制 15％，其他 15％ 靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計 動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計 ????niii1)We ight(TimeT等效指令執(zhí)行時間 ??? nii1 MIPSWeigh t1MIPS等效指令速度）（等效 ????niii1W eigh tCPICPI1/28/2023 31 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 例 2：我國早期研制的一種小型計算機(jī) DJS130 定點 16位，加法指令每秒 50萬次，但沒有 硬件乘除法指令。用軟件實現(xiàn)乘除法，速 度低 100倍左右。求等效指令速度。 解： 等效指令速度為： MIP )100/(1MIP S ???等效指令速度 即每秒 2萬次， 由于用軟件實現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了 25倍。 1/28/2023 32 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 例 3：假設(shè)在一般程序中浮點開平方操作 FPSQR所占 的比例為 2％，它的 CPI為 100；其他浮點操作 FP所占的比例為 23％，它的 CPI＝ ；其余 75％指令的 CPI＝ ，計算該處理機(jī)的等效 CPI。如果 FPSQR操作的 CPI也為 ，重新計算 等效 CPI。 解： 等效 CPI1＝ 100?2％＋ 4?23％＋ ?75％＝ 等效 CPI2＝ 4?25％＋ ?75％＝ 改進(jìn)了在用戶程序中僅占 2％的開平方操作，整個機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。 1/28/2023 33 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 指令執(zhí)行速度的 4 種平均方法 ? 算術(shù)平均： ? 調(diào)和平均 (用速率來度量 )： ? 加權(quán)平均 ?加權(quán)算術(shù)平均： ?加權(quán)調(diào)和平均： ??niin1T ime1??ni in1 Rate1iniin We ightT ime11?????ni ii1 RateWeigh t11/28/2023 34 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ?幾何平均： 其中： n 指不同的程序 ， ETR(execution time ratio) i是第 i個程序相對于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時間 幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān) ， 有如下性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值 nniiETR??1的幾何平均值的幾何平均值的幾何平均值?????????iiiiYXYX1/28/2023 35 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)行程序 P1時， A的速度是 B的 10倍； 運(yùn)行程序 P2時， B的速度是 A的 10倍； 運(yùn)行程序 P1時， A的速度是 C的 20倍； 運(yùn)行程序 P2時， C的速度是 A的 50倍； 運(yùn)行程序 P1時， B的速度是 C的 2倍； 運(yùn)行程序 P2時， C的速度是 B的 5倍。 例 4 ：兩個程序在三臺機(jī)器上的執(zhí)行時間 機(jī)器 A 機(jī)器 B 機(jī)器 C 程序 P1 （秒） 1 10 20 程序 P 2 （秒） 1000 100 20 1/28/2023 36 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 算術(shù)平均： 程序 P1和 P2各執(zhí)行 1次， B的速度是 A的 ； 程序 P1和 P2各執(zhí)行 1次， C的速度是 A的 25倍； 程序 P1和 P2各執(zhí)行 1次， C的速度是 B的 。 結(jié)論： 執(zhí)行程序 P1和 P2相同次數(shù)， 機(jī)器 A最慢，機(jī)器 C最快 算術(shù)平均速度： 三臺機(jī)器的速度之比為： A： B： C = 1： ： 25 1/28/2023 37 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 加權(quán)算術(shù)平均 加權(quán)算術(shù)平均 W1三臺機(jī)器的速度： A B C加權(quán)算術(shù)平均 W2三臺機(jī)器的速度： A C B加權(quán)算術(shù)平均 W3三臺機(jī)器的速度： C B A 機(jī)器 A 機(jī)器 B 機(jī)器 C 程序 P1執(zhí)行時間 (s) 程序 P2執(zhí)行時間 (s) 加權(quán) W1 (, ) 加權(quán) W2 (, ) 加權(quán) W3 (, ) 1 1000 10 100 20 20 1/28/2023 38 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 幾何平均 幾何平均值與所參考的機(jī)器無關(guān)， 機(jī)器 A與機(jī)器B的性能相同， 機(jī)器 C的執(zhí)行時間是機(jī)器 A或機(jī)器 B 的 。 執(zhí)行程序 P1和 P2的總時間， 機(jī)器 A幾乎是機(jī)器 B的 10倍。 執(zhí)行時間正交化 與 A正交 A B C 與 B正交 A B C 與 C正交 A B C 程序 P1 程序 P2 算術(shù)平均 幾何平均 總時間比 1/28/2023 39 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 5. 核心程序法 把應(yīng)用程序中使用最頻繁的那部分程序作為評價計算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為 基準(zhǔn)測試程序 (benchmark) ? 整數(shù)測試程序： Dhrystone 用 C語言編寫 ,100條語句。包括：各種賦值語句 ,數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū) ,控制語句 ,過程調(diào)用和參數(shù)傳送 ,整數(shù)運(yùn)算和邏輯操作等。 VAX11/780的測試結(jié)果為每秒 1757個 Dhrystones，即： 1VAX MIPS＝ 1757 Dhrystones／ Second ? 浮點測試程序： Linpack 用 FORTRAN編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作 用 MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)表示， GFLOPS、 TFLOPS 1/28/2023 40 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? SPEC基準(zhǔn)程序 System Performance Evaluation Cooperative 由 30個左右世界知名計算機(jī)大廠商所支持的非盈利性國際合作組織，包括： IBM、 ATT、BULL、 Compaq、 CDC、 DG、 DEC、 Fujitsu、 HP、Intel、 MIPS、 Motolola、 SGI、 SUN、 Unisys等； 1989年 10月宣布 ，程序量超過 15萬行 ,包含 4個定點程序和 6個浮點程序 , 測試結(jié)果用 SPECint’ 89和 SPECfp’ 89表示。 1992年增加到有 6個定點程序和 14個浮點程序 ,測試結(jié)果用 SPECint’ 92和 SPECfp’ 92表示。 1995年推出 SPECint’ 95和 SPECfp’ 95 SPEC2023， 12個定點程序、 14個浮點程序 1/28/2023 41 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? SPEC基準(zhǔn)測試程序舉例 處理機(jī) SPECint’ 95 SPECfp’ 95 PentiumII 450 PentiumIII 450 PentiumIII 500 PientiumIII 550 Celeron 300A Celeron 333 Celeron 366 Celeron 400 Celeron 433 Celeron 466 1/28/2023 42 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 Pentium4性能評測數(shù)據(jù) （數(shù)據(jù)全部來源于 Intel網(wǎng)站） P e n ti u m 4 1 .5G 1 .6G 1 .7G 1 .8G 1 .9G 2G 2 AG 2 .2G 2 .4G SP EC i nt20 0 0 531 557 579 601 621 640 722 771