【正文】 算法的影響 在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 例如： 快速乘法、除法、開平方等的實(shí)現(xiàn)： 記分板算法、 Tomasulo算法提高指令級(jí)并行性 消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法 有些問(wèn)題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。 劃分原則：科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)計(jì)算速度 事務(wù)處理：字符處理、十進(jìn)制運(yùn)算 實(shí)時(shí)控制：中斷響應(yīng)速度、 I/0能力 工作站：圖形處理能力 服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力 家用計(jì)算機(jī)：價(jià)格便宜，軟件豐富 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī) 各種專用處理機(jī)、協(xié)處理器、嵌入式處理機(jī) 1/28/2023 109 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 按數(shù)據(jù)類型劃分 定點(diǎn)計(jì)算機(jī)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、堆棧計(jì)算機(jī)等 4. 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分 單處理機(jī) 并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī) 關(guān)聯(lián)處理機(jī) 超標(biāo)量處理。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要研究算法，應(yīng)該研究一系列算法，使所有同類問(wèn)題都能很好解決。 圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 1/28/2023 101 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 器件發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)的影響 器件速度與處理機(jī)工作主頻 1955年第一臺(tái)大型機(jī) IBM704 機(jī)，主頻 12us， 1976年巨型向量計(jì)算機(jī) CRAY，主頻 ， 目前， Pentium4 的主頻已經(jīng)達(dá)到 3GHz 器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間 46年來(lái)器件速度提高 104，指令速度快 108以上 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用 器件速度提高減慢 , 處理機(jī)主頻提高速度減緩 指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變 (摩爾定理 ) 1/28/2023 102 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 應(yīng)用發(fā)展的影響 1. 應(yīng)用需求 高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算：氣象模型 ,流體流動(dòng) ,有限元分析。歷經(jīng) 10年，召開過(guò)多次專題國(guó)際會(huì)議。 組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。 4096個(gè)字、 40位。 1/28/2023 87 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展 馮 (2) 靜態(tài)重編譯 ：正在研究過(guò)程中，難度很大 1/28/2023 82 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù) 采用 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù) 實(shí)現(xiàn)與 X86等處理機(jī)兼容，把 X86等通用處理機(jī)的程序直接映射到 VLIW處理機(jī)中執(zhí)行。 1/28/2023 79 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 優(yōu)缺點(diǎn)比較 模擬方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要較多的硬件（包括控制存儲(chǔ)器） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于用仿真方法實(shí)現(xiàn) 除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲(chǔ)系統(tǒng)、 I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺(tái)的操作等 模擬方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程 在一臺(tái)已有的機(jī)器上用模擬方法實(shí)現(xiàn)正在設(shè)計(jì)中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。 全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫 模擬，用軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫 仿真 模擬的實(shí)現(xiàn)方法 在 A計(jì)算機(jī)上通過(guò)解釋或編譯實(shí)現(xiàn) B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。 (2)向前兼容： (3)向上兼容： 在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直 接運(yùn)行于高檔機(jī)器上。 例如：條件碼對(duì)高級(jí)語(yǔ)言幾乎 無(wú)用，在并行計(jì)算機(jī)中已經(jīng)取 消條件碼。 解： PentiumIII 700MHz，有 3條指令流水線， 峰值指令速度為： 700 ? 3 ＝ 2100MIPS Cluster的峰值指令速度＝ 700 ?３ ?36 ?４ ＝ 302 400MIPS 即 每秒３千億次 1/28/2023 54 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 存儲(chǔ)系統(tǒng) 第 1層： Register Files(寄存器堆 ) 第 2層： Lookahead(先行緩沖站 ) 第 3層： Cache(高速緩沖存儲(chǔ)器 ) 第 4層： Main Memory(主存儲(chǔ)器 ) 第 5層： Online Storage(聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器 ) 第 6層： Offline Storage(脫機(jī)存儲(chǔ)器 ) 第 1~3層在 CPU芯片內(nèi)部，第 4層在主板上，第5層在機(jī)箱內(nèi) (硬盤 )，第 6層依靠手工加載(VCD/DVD/磁帶 /刻錄機(jī)等 ) 1/28/2023 55 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 第 1 層 第 2 層 第 3 層 第 4 層 第 5 層 第 6 層 CP U 內(nèi)部 寄存器堆 聯(lián)機(jī)外部存儲(chǔ)器 （磁盤存儲(chǔ)器等） 脫機(jī)外部存儲(chǔ)器 （磁帶、 VCD 、 DVD 、刻錄機(jī)等） 指令和數(shù)據(jù)緩沖棧 Ca c h e （靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 S RA M ）S RAM ） 主存儲(chǔ)器 （ DRAM 、 DDR 、 RDRAM ） 存儲(chǔ)容量越來(lái)越大 每位的價(jià)格越來(lái)越便宜 訪問(wèn)速度越來(lái)越快 1/28/2023 56 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 尋址空間 程序員可以使用的存儲(chǔ)器容量，即每個(gè)程序的大小 通常有 21 22 23 26 … Pentium處理機(jī)的尋址空間為 4GB 與實(shí)際配置的存儲(chǔ)器容量無(wú)關(guān) 3. 存儲(chǔ)容量 實(shí)際物理存儲(chǔ)器的大小 通常用 KB、 MB、 GB等表示 建議配置：主存： 128MB～ 512MB 硬盤： 40GB～ 137GB 1/28/2023 57 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 主存儲(chǔ)器的種類 SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) RDRAM (RAMBUS DRAM) DDR (Dual Date Rate DRAM) 5. 速度 主存度與 CPU系統(tǒng)總線速度相匹配 P4系統(tǒng)總線速度 400MHz(3200MB/S)或 533 DDR: 64bits 333MHz/8=2700MB/S RDRAM: 16bits 800MHz/8 2=3200MB/S 6. 存儲(chǔ)系統(tǒng) 采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，獲得速度高、容量大、價(jià)格便宜的存儲(chǔ)器 1/28/2023 58 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 其他性能 1. 字長(zhǎng) 1～幾百位， 16位、 32位、 64位 ? 由數(shù)據(jù)字長(zhǎng)決定， 8的倍數(shù)， 32位 、 64位等 ? 可變字長(zhǎng)：任意組合 2. 數(shù)據(jù)表示 ? 定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、向量、串、棧、樹、 … ? 發(fā)展方向之一：自定義數(shù)據(jù)表示 4. 指令系統(tǒng) ? CISC(Complex Instruction Set Computer)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) ? RISC(Reduced Instruction Set Computer)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) ? VLIW(Very Long Instruction Word) 超長(zhǎng)指令字 1/28/2023 59 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 輸入輸出系統(tǒng) ? 輸入輸出系統(tǒng)的組織方式 ? 中斷系統(tǒng) ? 通道處理機(jī) ? 輸入輸出處理機(jī) 5. 保護(hù)和診斷能力 ? 程序與數(shù)據(jù)的保護(hù) ? 診斷能力：檢錯(cuò) , 糾錯(cuò) , 冗余 , 自診斷能力 ? 可靠性： RAS技術(shù)，可靠性 R，可用性 A，可維護(hù)性 S 1/28/2023 60 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 價(jià)格標(biāo)準(zhǔn) 1．價(jià)格與性能的關(guān)系： ? 摩爾定理：速度每 10年左右提高 100倍， 但價(jià)格基本維持不變 ? 用當(dāng)前同樣的價(jià)格，在 5年之后能買到性能高出 10倍的計(jì)算機(jī) 2．硬件與軟件的價(jià)格比例： ? 硬件在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)價(jià)格中所占的比例在下降，軟件所占的比例在上升 ? 目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過(guò)硬件價(jià)格 1/28/2023 61 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 成本 硬件 軟件 年代 70 年代軟件所占的成本越來(lái)越高 1/28/2023 62 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù) 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù) 軟硬件取舍 軟件兼容性 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1/28/2023 63 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ：包括指令集、存儲(chǔ)系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、處理器設(shè)計(jì)等，是軟硬件的分界面 硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù) ：相當(dāng)重要，不同指令集對(duì)系統(tǒng)性能的影響在縮小 應(yīng)用或市場(chǎng)需求 性能優(yōu)化： 可靠性、容錯(cuò)性、價(jià)格與性能 實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性 ：硬件實(shí)現(xiàn)方案、軟件復(fù)雜性、投放市場(chǎng)時(shí)間 性能價(jià)格比： 必須考慮實(shí)現(xiàn)的成本，包括軟件成本 1/28/2023 64 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 功能要求 應(yīng)具備或支持的典型特性 應(yīng)用領(lǐng)域 通用 科學(xué)計(jì)算 商用 決定對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能要求 對(duì)一系列任務(wù)有較好的性能 具有較好的浮點(diǎn)運(yùn)算功能 支持 COBOL、數(shù)據(jù)庫(kù)、和事物處理等功能 軟件兼容級(jí)別 編程語(yǔ)言級(jí) 目標(biāo)代碼級(jí) 決定機(jī)器可以運(yùn)行哪些軟件 設(shè)計(jì)者的自由度較大，但需要新的編譯器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，無(wú)須投資軟件 操作系統(tǒng)要求 地址空間大小 內(nèi)存管理 安全保護(hù) 為支持選定的操作系統(tǒng)所需要的特性 非常重要的特性，可能限制程序的運(yùn)行 頁(yè)式或段式等管理方式，現(xiàn)代操作系統(tǒng)需要 操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要 標(biāo)準(zhǔn) 浮點(diǎn) I/O總線 編程語(yǔ)言 網(wǎng)絡(luò) 市場(chǎng)上已有的，某種需要滿足的標(biāo)準(zhǔn) 格式和算法： IEEE、 DEC、 IBM等 I/O設(shè)備： VME、 SCSI、 PCI、光纖等 影響指令集： C、 FORTAN、 COBOL等 對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的支持：內(nèi)部互連網(wǎng)、 Ether等 1/28/2023 65 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 軟硬件取舍 1. 軟硬件的關(guān)系 理論上：有兩種極端實(shí)現(xiàn)方法： 全硬件機(jī)器：操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用等 硬件只有 1位加法和分支操作，其他都用軟件 關(guān)鍵問(wèn)題： 性能與價(jià)格的關(guān)系 軟件與硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) 硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少 軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多 1/28/2023 66 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 軟硬件比例 軟件 發(fā)展 硬件最少硬件 目前計(jì)算機(jī) 不可編程硬件實(shí)現(xiàn)的比例越來(lái)越高 1/28/2023 67 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 從價(jià)格因素考慮的軟硬件取舍 假設(shè)：硬件設(shè)計(jì)費(fèi)為 Dh、軟件設(shè)計(jì)費(fèi)為 Ds、硬件拷貝費(fèi)為 Ch、軟件拷貝費(fèi)為 Cs， R為軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù) (占用內(nèi)存、占用介質(zhì) )，當(dāng)臺(tái)數(shù)為V時(shí)，每臺(tái)的硬件費(fèi)用和軟件費(fèi)用之比為： 由于： Dh Ds， Ch Cs， 當(dāng) R很大時(shí)，經(jīng)常使用