[工學(xué)]1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)(文件)
【正文】 的，稱為仿真微程序。 模擬程序存儲(chǔ)在主存中，仿真程序存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，因此仿真的運(yùn)行速度比模擬方法的快。 高級(jí)語言有多種，且不同計(jì)算機(jī)上的同一種語言也不是完全相同；216。 器件技術(shù)，特別是 VLSI技術(shù)發(fā)展迅速。 器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 應(yīng)用需求是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動(dòng)力。 通用計(jì)算機(jī)一直是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的主流。 同時(shí)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)刻發(fā)生。n 字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。n 指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。 把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分；216。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機(jī)中，資源重復(fù)原理的運(yùn)用也已經(jīng)十分普遍。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展多機(jī)系統(tǒng)遵循時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享原理，發(fā)展為 3種不同的多處理機(jī)：異構(gòu)型多處理機(jī)、同構(gòu)型多處理機(jī)、分布式系統(tǒng)耦合度 :反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。n 松散耦合系統(tǒng)（間接耦合系統(tǒng)）：一般是通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展功能專用化（實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊 ）216。216。 可重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)之間互連網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展假定某計(jì)算機(jī)有以下測(cè)試結(jié)果： 浮點(diǎn)操作指令使用頻率為 25%； 浮點(diǎn)指令平均 CPI為 ； 其他操作指令平均 CPI為 ； 浮點(diǎn)平方根指令的使用頻率為 1%； 浮點(diǎn)平方根指令的 CPI為 20。假定每次存儲(chǔ)器存取周期為 1的延遲，試問： （ 1）計(jì)算在該處理機(jī)的平均 CPI； （ 2）假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到 30MHz，但存儲(chǔ)系統(tǒng)速率不變。具體數(shù)據(jù)如下表所示：（ 1）改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？（ 2）各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？（ 3） 4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間（周期）改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間（周期）操作 1 10 2 1操作 2 30 20 15操作 3 35 10 3操作 4 15 4 1。如果 30%的指令中每條只需 1次存儲(chǔ)器存取，而另外 5%中每條需要 2次存儲(chǔ)器存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)的 CPI和 MIPS。試比較這兩種設(shè)計(jì)方案。216。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展機(jī)間互連216。 216。表現(xiàn)為兩種形式： n 多臺(tái)計(jì)算機(jī)和共享的外存設(shè)備連接，不同機(jī)器之間實(shí)現(xiàn)功能上的分工，處理結(jié)果以文件或數(shù)據(jù)集的形式送到共享外存設(shè)備，供其他機(jī)器繼續(xù)處理。 緊密耦合系統(tǒng)216。n 陣列處理機(jī)（并行處理機(jī)）：設(shè)置許多相同的處理單元，讓它們?cè)谕粋€(gè)控制器的指揮下，按照同一條指令的要求，對(duì)向量或數(shù)組的各元素同時(shí)進(jìn)行同一操作，就形成了陣列處理機(jī)。 按時(shí)間重疊原理把各部分的執(zhí)行過程在時(shí)間上重疊起來，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。 提高并行性的技術(shù)途徑 在發(fā)展高性能單處理機(jī)過程中，起主導(dǎo)作用的是時(shí)間重疊原理。 并行性的概念n 時(shí)間重疊引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。n 全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。 并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。 不同的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了不同的要求，從而出現(xiàn)多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。216。 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 器件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍因素。 仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用。 除了仿真目標(biāo)機(jī)的指令集外，還要仿真目標(biāo)機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)、 I/O系統(tǒng)和控制臺(tái)操作。 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有機(jī)器（宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令集。216。 從指令集的角度來看，就是要在一種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。n 向后兼容是系列機(jī)的根本特征！n 兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī) 。 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 系列機(jī)的軟件兼容有四種方式：216。216。n 實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法216。 多種靈活的尋址方式。n 通用寄存器組、高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache 馮 諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)（ 3）存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展n 相聯(lián)存儲(chǔ)器與相聯(lián)處理機(jī)216。如向量計(jì)算。 馮 216。216。 以運(yùn)算器為中心。 C機(jī)執(zhí)行程序 1和程序 2的速度是 A機(jī)的 216。 C機(jī)的速度是 A機(jī)的 50倍216。 A機(jī)的速度是 B機(jī)的 10倍216。 SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL庫的性能。 SPECSFS：用于 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測(cè)試程序。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 最成功和最常見的測(cè)試程序套件 SPEC系列：216。216。因此基準(zhǔn)測(cè)試程序設(shè)計(jì)者要求制造商：216?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序n 早期測(cè)試方法中采用簡(jiǎn)化的程序，如： (1) 核心測(cè)試程序 (2) 小測(cè)試程序 (3) 合成測(cè)試程序n 上述三種測(cè)試程序現(xiàn)在已經(jīng)不可信了。 兩個(gè)主要的吞吐率單位p MFLOPS（ Million floating point operations per second） 每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算其中： ICF為浮點(diǎn)運(yùn)算總次數(shù)； TE為完成 ICF次浮點(diǎn)運(yùn)算所需時(shí)間。 兩個(gè)主要的吞吐率單位p MIPS（ Million instructions per second） 每秒百萬次指令其中： IC為指令總條數(shù)； TE為執(zhí)行 IC條指令所用時(shí)間； TC為時(shí)鐘周期時(shí)間； Rc為系統(tǒng)時(shí)鐘周期頻率。p 系統(tǒng) CPU時(shí)間：用戶程序運(yùn)行期間操作系統(tǒng)耗費(fèi)的 CPU時(shí)間。 計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問、存儲(chǔ)器訪問、輸入 /輸出、操作系統(tǒng)開銷等。216。 確定用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求；216。216。問：哪一個(gè)
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