【正文】 的基本功能適宜用硬件實(shí)現(xiàn) 由于： Ds Cs， 當(dāng) V很大時(shí)，生產(chǎn)臺(tái)數(shù)很多時(shí)適宜用硬件實(shí)現(xiàn) （ ）：（ ）DhV Ch DsV R Cs? ? ?1/28/2023 68 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍 基本方法： 加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度 Amdahl定律： 系統(tǒng)中某一部件由于采用更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān) 。包括：各種賦值語(yǔ)句 ,數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū) ,控制語(yǔ)句 ,過(guò)程調(diào)用和參數(shù)傳送 ,整數(shù)運(yùn)算和邏輯操作等。 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(tái)機(jī)器的速度之比為： A： B： C = 1： ： 25 1/28/2023 37 計(jì)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(tái)機(jī)器的速度： A B C加權(quán)算術(shù)平均 W2三臺(tái)機(jī)器的速度： A C B加權(quán)算術(shù)平均 W3三臺(tái)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(shí)間 (s) 程序 P2執(zhí)行時(shí)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(jì)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(wú)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(shí)間是機(jī)器 A或機(jī)器 B 的 。如果 FPSQR操作的 CPI也為 ，重新計(jì)算 等效 CPI。用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，速 度低 100倍左右。 哪一種表示方法合理？ 1. 時(shí)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(shí)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 25 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)主要包括： 處理機(jī)、主存儲(chǔ)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(jì)； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號(hào)傳輸技術(shù)； 電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。 不同的組成只是性能和價(jià)格不同 , 他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。 1/28/2023 12 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 虛擬計(jì)算機(jī) 定義： 從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 2版） 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材 鄭緯民 湯志忠 編著 課程介紹 1/28/2023 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 1. 課程名稱 Computer Architecture 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計(jì)或式樣 , 通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌 2. 研究?jī)?nèi)容 從外部來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)屬性 1/28/2023 3 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 3. 學(xué)習(xí)目的 建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 完整概念 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 分析方法和設(shè)計(jì)方法 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 最新研究成果 4. 學(xué)科方向 一級(jí)學(xué)科 1 個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 二級(jí)學(xué)科 3 個(gè)： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計(jì)算機(jī)軟件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 1/28/2023 4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 5. 與其他學(xué)科的交叉 學(xué)科交叉： 計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、 …… 新內(nèi)容： 超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、 …… 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期 軟件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)技術(shù) , 兩頭發(fā)展快中間慢 非馮計(jì)算機(jī)正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái) 1/28/2023 5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 6. 課程安排 課內(nèi)： 60學(xué)時(shí)， 課內(nèi)外比例： 課內(nèi) 1：課外 1 除完成作業(yè)之外，還要多看參考書 多看好論文 (被 SCI、 EI 收錄 )，了解國(guó)內(nèi)外最新研究成果 7. 教材和參考書 教材： 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (第二版 ) ，清華大學(xué)出版社 1/28/2023 6 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 參考書： (1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Man Kaufmann Publishers 中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版 ,第三版即將出版），清華大學(xué)出版社 (2)Kai Hwang， Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴(kuò)展性 可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社 1/28/2023 7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 第 1章 基本概念 1/28/2023 8 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)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計(jì)算機(jī)組成技術(shù) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù) 1/28/2023 9 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 提高處理機(jī)運(yùn)算速度： MIPS＝ Fz ? IPC 其中 : Fz為處理機(jī)的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù) 提高 IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過(guò)去 ， 幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令 現(xiàn)在 ， 一個(gè)周期完成幾條指令 提高 Fz： 縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步 流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從指令串行執(zhí)行，到 P4的 20級(jí)流水線 1/28/2023 10 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 350 300 250 200 150 100 50 0 1 9 8 5 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 D EC A l pha ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SU N 4 IBM Pow er1 M IPS R 2023 D EC A l pha MI PS R 3000 HP 900 IBM Pow er2 D EC A l pha 每年 1 .58 倍 每年 1 .35 倍 S P ECin t 速度指標(biāo) 依靠技術(shù)進(jìn)步性能每年提高 35% 先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的貢獻(xiàn)是技術(shù)進(jìn)步的 5 倍 1/28/2023 11 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段 20世紀(jì) 70年代末之前 ， 大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能 每年提高 25%~30%。 4. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新 。 同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固件實(shí)現(xiàn)。 1/28/2023 24 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 確定數(shù)據(jù)通路的寬度； ? 確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度； ? 確定專用的功能部件； ? 確定功能部件的并行度； ? 設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略； ? 設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)； ? 確定采用何種可靠性技術(shù)。 有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。 目前還經(jīng)常使用 ? 主要缺點(diǎn) : (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(jì)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(jì) 動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過(guò)程中統(tǒng)計(jì) ????niii1)We ight(TimeT等效指令執(zhí)行時(shí)間 ??? nii1 MIPSWeigh t1MIPS等效指令速度）（等效 ????niii1W eigh tCPICPI1/28/2023 31 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 例 2：我國(guó)早期研制的一種小型計(jì)算機(jī) DJS130 定點(diǎn) 16位，加法指令每秒 50萬(wàn)次，但沒(méi)有 硬件乘除法指令。 1/28/2023 32 計(jì)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(diǎn)開(kāi)平方操作 FPSQR所占 的比例為 2％，它的 CPI為 100；其他浮點(diǎn)操作 FP所占的比例為 23％，它的 CPI＝ ；其余 75％指令的 CPI＝ ，計(jì)算該處理機(jī)的等效 CPI。 例 4 ：兩個(gè)程序在三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)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(jì)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 。稱為 基準(zhǔn)測(cè)試程序 (benchmark) ? 整數(shù)測(cè)試程序： Dhrystone 用 C語(yǔ)言編寫 ,100條語(yǔ)句。 1995年推出 SPECint’ 95和 SPECfp’ 95 SPEC2023， 12個(gè)定點(diǎn)程序、 14個(gè)浮點(diǎn)程序 1/28/2023 41 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? SPEC基準(zhǔn)測(cè)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