計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第1講）-預(yù)覽頁
【正文】 換過程的控制等； 信息保護(hù)： 包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。 計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，主要包括： 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) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 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)，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)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念 ， 但隨著技術(shù) 、 器件和應(yīng)用的發(fā)展 ， 三者之間的界限越來越模糊 。 解：由于 PentiumII 450處理機(jī)的 IPC＝ 2 (或CPI＝ ), Fz＝ 450MHz， 因此， MIPSPentium II 450＝ Fz IPC＝ 450 2＝900(MIPS) 主要缺點(diǎn)： （ 1）不同指令的速度差別很大 （ 2）指令使用頻度差別很大 （ 3）有相當(dāng)多的非功能性指令 3. 等效指令速度：吉普森（ Gibson） 法 其中， Wi： 指令使用頻度， i： 指令種類 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)行過程中統(tǒng)計(jì) 在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期，用加法指令的運(yùn)算速度來衡量 計(jì)算機(jī)的速度。 等效指令速度 （ ）M I P S 1 / 0 . 8 00 . 5 0 . 2 00 . 5 / 100 0 . 0 2 M I P S? ? ? 例 3： 假設(shè)在程序中浮點(diǎn)開平方操作 FPSQR的比例為 2％，它的 CPI為 100；其他浮點(diǎn)操作 FP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。 4. 核心程序法 把應(yīng)用程序中用得最頻繁的那部分核心程序作為評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。 用 MFLOPS（ Million Floating Point Operations Per Second） 表示； GFLOPS、TFLOPS Whetstone基準(zhǔn)測(cè)試程序 用 FORTRAN語言編寫的綜合性測(cè)試程序， 主要包括：浮點(diǎn)運(yùn)算、整數(shù)算術(shù)運(yùn)算、功能調(diào)用、數(shù)組變址、條件轉(zhuǎn)移、超越函數(shù)。 1992年 ， 又增加 10個(gè)測(cè)試程序 ， 共有 6個(gè)定點(diǎn)程序和 14個(gè)浮點(diǎn)程序 ， 測(cè)試結(jié)果用SPECint’92和 SPECfp’92表示 。 解： 峰值指令速度： 500MHz ? ８ ?４ ?３ ＝ 48(GIPS) 即每秒 480億次。 改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的加速比為： 其中 （ 1Fe)表示不可改進(jìn)部分 。 向下兼容 其中 向后兼容最重要 ，必須做到 向上兼容盡量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考慮 方法 1：系列機(jī)方法 系列機(jī)定義： 具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)方法： 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同性能的要求和當(dāng)時(shí)的器件發(fā)展情況，設(shè)計(jì)出各種性能、價(jià)格不同的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)。 相同的指令系統(tǒng)，分別采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式。 全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫 模擬 用硬件、固件或軟件、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)上通過解釋方法實(shí)現(xiàn) B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，即 B機(jī)器的每一第指令用一段 A機(jī)器的程序進(jìn)行解釋執(zhí)行。 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)器難于完全用仿真方法來實(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 除了解釋方法之外，也可以通過編譯方法實(shí)現(xiàn) 模擬方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 在一臺(tái)已有的機(jī)器上用模擬方法實(shí)現(xiàn)另 外一臺(tái)正在設(shè)計(jì)中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。 C、 Ada、 Java、 …… 設(shè)計(jì)方案 模擬 測(cè)試、性能評(píng)價(jià) 修改設(shè)計(jì) 投產(chǎn) 三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級(jí)語言最好，是努力的目標(biāo) 系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法 仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重，目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容 1/10～ 1/2的芯片面積用于仿真 目標(biāo)代碼的兼容性研究： 一種新的設(shè)想 一種機(jī)器的目標(biāo)代碼到另一種機(jī)器的目標(biāo)代碼的編譯 目標(biāo)代碼的并行重編譯 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 方法 1：由上向下（ TopDown） 方法 2：由下向上（ BottomUp) 方法 3：中間開始（ MiddleOut) 應(yīng)用虛擬機(jī) 高級(jí)語言虛擬機(jī) 匯編語言虛擬機(jī) 操作系統(tǒng)虛擬機(jī) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) 微程序級(jí) 硬聯(lián)邏輯級(jí) 向 上 向 下 練習(xí)題： 1 .10 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 4講） 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 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)方法 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 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 馮 由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)。 2. 改進(jìn)： 存儲(chǔ)程序，存儲(chǔ)器為中心，分散控制 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。 為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)，如快速傅里葉變換機(jī)器、過程控制計(jì)算機(jī)等。 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，例如自然語言、聲音、圖形和圖象處理等。 實(shí)時(shí)多因素問題：語音識(shí)別、圖象處理、計(jì)算機(jī)視覺。 2. 三個(gè)時(shí)期 通用計(jì)算機(jī)： 主要是通用科學(xué)計(jì)算 專用計(jì)算機(jī)： 科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí) 控制 高性能通用機(jī)： 滿足多種需求 3. 兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì) 維持價(jià)格不變，利用 VLSI技術(shù)等，提高性能 普通 PC微處理器芯片 2020元，但性能提高很快 性能基本不變，價(jià)格迅速下降 一般先推出 中間機(jī)型 ，然后分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展；例如： PentiumII，80486等 4. 三種設(shè)計(jì)思想 最高性能價(jià)格比： 商用機(jī)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者應(yīng)該研究一類算法，設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使所有這類問題在此結(jié)構(gòu)上都能很好解決。 單 指 令 流 多 數(shù) 據(jù) 流 SIMD (Single Instruction Multiple Datastream)。 諾依曼結(jié)構(gòu)及其發(fā)展 5. 透明性、系列機(jī)、兼容性、模擬與仿真等基本概念 6. 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類方法 練習(xí)題： 1 .10
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