[工學(xué)]1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識-預(yù)覽頁
【正文】 IS： 指令流 PU： 處理部件 DS：數(shù)據(jù)流 MU： 存儲部件CU MUPUI/O CSDSIS單指令流單數(shù)據(jù)流 SISDn 典型 SIMD機(jī)器：陣列處理機(jī)n 在同一控制部件控制下，多個(gè)處理部件同時(shí)執(zhí)行同一條指令所規(guī)定的操作，分別對各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMD以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)（大概率事件優(yōu)先原則）n 對經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則，以得到更多的總體上的改進(jìn)。 可改進(jìn)比例（ fe）：在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。 部件加速比（ re）：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍數(shù)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理設(shè)：改進(jìn)前系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間為 To。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理 CPU性能公式n 執(zhí)行一個(gè)程序所需的 CPU時(shí)間 CPU時(shí)間 = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù) 時(shí)鐘周期時(shí)間 其中，時(shí)鐘周期時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。 CPI： 取決于計(jì)算機(jī)組成和指令集結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理例 3 考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法： 1） CPUA： 通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條件碼進(jìn)行 分支。由于 CPUA在分支時(shí)不需要比較，因此CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間是 CPUA的 。 程序的時(shí)間局部性 :程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。n 設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大致要完成三方面的工作：216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)n “由上往下 ”（ topdown）設(shè)計(jì)n “由下往上 ”（ bottomup）設(shè)計(jì)n “從中間開始 ”（ middleout）設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法執(zhí)行時(shí)間和吞吐率 n 如何評測一臺計(jì)算機(jī)的性能，與測試者看問題的角度有關(guān)。通常 “ X的性能是 Y的 n倍 ” 是指：n 由于執(zhí)行時(shí)間與性能成反比，所以上式就變成： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 目前廣泛采用的一致和可靠的性能評價(jià)方法，是使用真實(shí)程序的 執(zhí)行時(shí)間 來衡量，而執(zhí)行時(shí)間可以有多種定義：216。p 用戶 CPU時(shí)間：用戶程序所耗費(fèi)的 CPU時(shí)間。216。216?；鶞?zhǔn)測試程序n 早期測試方法中采用簡化的程序，如： (1) 核心測試程序 (2) 小測試程序 (3) 合成測試程序 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測對應(yīng)用中各種操作的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按比例設(shè)計(jì)出的測試程序，是完全人為制造出來的程序。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 性能測試的結(jié)果除了和采用什么測試程序有關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測試有關(guān)。n 為了能比較全面地反映計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能，通常采用一整套測試程序，稱為基準(zhǔn)測試程序套件。 主要優(yōu)點(diǎn)是不同的測試程序之間可以互相彌補(bǔ)。216。216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測性能比較A機(jī) B機(jī) C機(jī) W（ 1） W（ 2） W（ 3） 程序 1 程序 2 加權(quán)算術(shù)平均值 Am（ 1） 加權(quán)算術(shù)平均值 Am（ 2） 加權(quán)算術(shù)平均值 Am（ 3） 兩個(gè)程序 在 A、 B、 C三臺計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 從該表可以得出：執(zhí)行程序 1:216。 B機(jī)的速度是 A機(jī)的 100倍216。 B機(jī)執(zhí)行程序 1和程序 2的速度是 A機(jī)的 216。 諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)216。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。 指令的執(zhí)行是順序的。 指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。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)（ 2）采用并行處理技術(shù) 挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性n 改進(jìn) CPU的組成；重疊方式、先行控制、多操作部件、流水線方式n 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對某些計(jì)算問題實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。 馮 相聯(lián)處理機(jī)：讓相連存儲器除了完成信息檢索任務(wù)外，還能進(jìn)行一些算術(shù)邏輯運(yùn)算。 精簡指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）n 指令的地址空間和尋址方式216。我們稱這兩臺計(jì)算機(jī)是 軟件兼容 的。 統(tǒng)一高級語言 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響系列機(jī) n 由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。 系列機(jī)能較好地解決軟件開發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾。 向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場的某種型號機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場的機(jī)器。216。 通常用解釋的方法來實(shí)現(xiàn)，即虛擬機(jī)的每一條指令都用宿主機(jī)的一段程序進(jìn)行解釋執(zhí)行。 由于模擬機(jī)采用純軟件解釋執(zhí)行的方法，因此運(yùn)行速度較慢、性能較差。216。216。 不是所有的軟件開發(fā)商都開放其源代碼。這使得越來越多的功能可以由一塊芯片來實(shí)現(xiàn)，而且芯片的性價(jià)比越來越高。216。但一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算實(shí)時(shí)多因素問題 大存儲容量和輸入輸出密集的問題圖形學(xué)和設(shè)計(jì)問題 人工智能 應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 并行性的概念n 并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。216。n 字并位串：同時(shí)對許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。n 線程級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程。n 作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。n 資源共享這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。 把每一部分指定給專門的部件完成；216。n 多體存儲器n 多操作部件：通用部件被分解成若干個(gè)專用部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、邏輯運(yùn)算部件等，而且同一種部件也可以重復(fù)設(shè)置多個(gè)。多機(jī)系統(tǒng)按耦合度分為兩大類：216。機(jī)器之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級上進(jìn)行的。 專用外圍處理機(jī)例如，輸入 /輸出功能的分離。 異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)不同類型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動作。高帶寬、低延遲、低開銷的機(jī)間互連網(wǎng)絡(luò)是高效實(shí)現(xiàn)程序或任務(wù)一級并行處理的前提條件。 假定有兩種減少 CPI的措施可供選擇，一種是將浮點(diǎn)平方根指令的 CPI降為 2，另一種是將所有浮點(diǎn)指令的平均 CPI降為 3。這樣每次存儲器存取需要 2個(gè)
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