[工學(xué)]1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識-全文預(yù)覽
【正文】 CPU更快？如果 CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間只是 CPUA的 ，哪一個(gè) CPU更快呢？ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理程序的局部性原理n 程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對地簇聚。 2） CPUB： 在分支指令中包括比較過程。216。n 每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI CPI = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)／ IC 其中， IC是所執(zhí)行的指令條數(shù)n 程序執(zhí)行的 CPU時(shí)間可以寫成 CPU時(shí)間 = IC CPI 時(shí)鐘周期時(shí)間 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理n CPU的性能取決于 3個(gè)參數(shù)216。 改進(jìn)后系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間為 Te則： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比Sp ＝ToTe＝（ 1－ fe） + fere1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理例 1 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度提高到原來的 20倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的 40%，則采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？（ ） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理例 2 某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來的 20倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來的 5倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。它總是小于等于 1。n 優(yōu)化是指分配更多的資源、達(dá)到更高的性能或 者分配更多的電能等。單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMDn 多個(gè)處理器，對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理n MISD只是一種認(rèn)為的劃分，目前沒有實(shí)際的機(jī)器。 按馮氏分類法可得出四類不同處理方法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ： n 字串位串 WSBSn 字并位串 WPBS n 字串位并 WSBP n 字并位并 WPBP 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類二、 Flynn分類法 — 按 “流 ”分類指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列。 乘法指令是用乘法器實(shí)現(xiàn)還是用加法器經(jīng)多步操作來實(shí)現(xiàn)屬于計(jì)算機(jī)組成；216。n 一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成；n 一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。n 著眼于：物理機(jī)器級內(nèi)各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義透明性：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對這種本來是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明性。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的提出n 64年 Amdahl提出 :程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。 翻譯：先把 N+1級程序全部變換成 N級程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的 N級程序，在執(zhí)行過程中 N+1級程序不再被訪問。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)L6：應(yīng)用語言虛擬機(jī)L5：高級語言虛擬機(jī)L4：匯編語言虛擬機(jī)L3：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)L2：機(jī)器語言 (傳統(tǒng)機(jī)器級 )L1：微程序機(jī)器級軟件硬 /固件 這一級是為滿足某種特殊用途而專門設(shè)計(jì)的，因此這一級的語言就是各種面向問題的應(yīng)用語言。用匯編語言編寫的程序，首先 翻譯成第 3級和第 2級語言，然后再由相應(yīng)的機(jī)器執(zhí)行?？梢酝ㄟ^仿真在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)多種指令集。L6：應(yīng)用語言虛擬機(jī)L5：高級語言虛擬機(jī)L4：匯編語言虛擬機(jī)L3：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)L2：機(jī)器語言 (傳統(tǒng)機(jī)器級 )L1：微程序機(jī)器級軟件硬 /固件 本級的機(jī)器語言是指微指令集 。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件 /固件＋軟件n 從計(jì)算機(jī)語言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成 多級層次結(jié)構(gòu) 。 2022年以來，計(jì)算機(jī)性能的增長率下降到約30%。 20世紀(jì) 70年代末到 80年代初，大規(guī)模集成電路和微處理器的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)性能的年增長率提高到約 35%，主要?dú)w功于以集成電路為代表的制造技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張長明ncepubd教材和參考教材n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程，張晨曦等，清華大學(xué)出版社n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，鄭緯民等，清華大學(xué)出版社n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，陸鑫達(dá)，高等教育出版社第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識n 計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)n 計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展n 自第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得飛速發(fā)展，這一方面得益于計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，另一方面則是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。216。216。 很多計(jì)算機(jī)公司放棄高性能單處理機(jī)項(xiàng)目，專項(xiàng)多核的研發(fā)，標(biāo)志著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從單純依靠指令級并行轉(zhuǎn)向開發(fā)線程級并行和數(shù)據(jù)級并行。 計(jì)算機(jī)語言從低級向高級發(fā)展， 高一級語言的語句相對于低一級語言來說功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級語言為基礎(chǔ)。由微程序解釋指令集又稱作仿真。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)L6：應(yīng)用語言虛擬機(jī)L5：高級語言虛擬機(jī)L4：匯編語言虛擬機(jī)L3：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)L2：機(jī)器語言 (傳統(tǒng)機(jī)器級 )L1：微程序機(jī)器級軟件硬 /固件 本級的機(jī)器語言是匯編語言。用這些語言所編寫的程序一般是由稱為編譯程序的 翻譯程序 翻譯到第 4級或第3級上，個(gè)別的高級語言也用解釋的方法實(shí)現(xiàn)，如絕大多數(shù) BASIC語言系統(tǒng)。 n 語言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)：216。 ※ 解釋執(zhí)行比翻譯花的時(shí)間多，但存儲(chǔ)空間占用較少。也就是說，傳統(tǒng)機(jī)器級所存在的差別對于高級語言程序員來講是 “看不見 ”的，此即 “透明性 ”。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)n 包含物理機(jī)器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)各自包含不同的內(nèi)容，但又有緊密的關(guān)系。 確定指令系統(tǒng)中是否有乘法指令屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；216。最大并行度：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)。按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，分為以下四類： n 單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD n 單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMDn 多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD n 多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMD 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類n 典型的 SISD機(jī)器：傳統(tǒng)的順序計(jì)算機(jī)n SISD機(jī)器結(jié)構(gòu) CU： 控制部件
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