[工學(xué)]1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)(存儲(chǔ)版)
【正文】 造商：216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 最成功和最常見(jiàn)的測(cè)試程序套件 SPEC系列：216。 SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL庫(kù)的性能。 C機(jī)的速度是 A機(jī)的 50倍216。 以運(yùn)算器為中心。216。如向量計(jì)算。n 通用寄存器組、高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache 馮 n 實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法216。 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 系列機(jī)的軟件兼容有四種方式：216。 從指令集的角度來(lái)看，就是要在一種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有機(jī)器（宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令集。 仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用。216。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。n 全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。 并行性的概念n 時(shí)間重疊引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。 按時(shí)間重疊原理把各部分的執(zhí)行過(guò)程在時(shí)間上重疊起來(lái)，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。 緊密耦合系統(tǒng)216。 216。216。如果 30%的指令中每條只需 1次存儲(chǔ)器存取，而另外 5%中每條需要 2次存儲(chǔ)器存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)的 CPI和 MIPS。假定每次存儲(chǔ)器存取周期為 1的延遲，試問(wèn)： （ 1）計(jì)算在該處理機(jī)的平均 CPI； （ 2）假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到 30MHz，但存儲(chǔ)系統(tǒng)速率不變。 可重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)之間互連網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展功能專用化（實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊 ）216。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展多機(jī)系統(tǒng)遵循時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享原理，發(fā)展為 3種不同的多處理機(jī)：異構(gòu)型多處理機(jī)、同構(gòu)型多處理機(jī)、分布式系統(tǒng)耦合度 :反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。 把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分；216。以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。n 字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。 通用計(jì)算機(jī)一直是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的主流。 器件技術(shù)，特別是 VLSI技術(shù)發(fā)展迅速。 模擬程序存儲(chǔ)在主存中，仿真程序存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中，因此仿真的運(yùn)行速度比模擬方法的快。216。 能在一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。216。諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)n 軟件的可移植性：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上正確地運(yùn)行，差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。216。 馮 216。 諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn) 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展馮 B機(jī)的速度是 C機(jī)的 2倍執(zhí)行程序 2:216。 SPECWeb： Web服務(wù)器測(cè)試程序。216。n 基準(zhǔn)測(cè)試程序的最佳選擇是真實(shí)應(yīng)用程序。 吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能完成的任務(wù)數(shù)。 CPU時(shí)間： CPU執(zhí)行所給定的程序所花費(fèi)的時(shí)間，不包含 I/O等待時(shí)間以及運(yùn)行其他程序的時(shí)間。 設(shè)計(jì)出生命周期長(zhǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。n 局部性包括時(shí)間局部性和空間局部性216。n 對(duì) CPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化 假設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有 n種指令； CPIi： 第 i種指令的處理時(shí)間； ICi ： 在程序中第 i種指令出現(xiàn)的次數(shù)；則 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理于是 CPU性能公式為 :CPI可以表示為其中， (ICi/IC)反映了第 i種指令在程序中所占的比例。 n推論： 如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，那么所獲得的加速比不大于 1/(1fe)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理n 加速比的大小與兩個(gè)因素有關(guān)216。一般并行計(jì)算機(jī)大多采用這種結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一、馮氏分類法用系統(tǒng)的最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。n 著眼于：器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。 （ 2）不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)或匯編語(yǔ)言程序員角度看，具有不同屬性，但從高級(jí)語(yǔ)言程序員角度看，幾乎沒(méi)差別，例如 C語(yǔ)言程序員。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)n 虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器，以區(qū)別于由硬件/固件實(shí)現(xiàn)的物理機(jī)器。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)L6：應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)L5：高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)L4：匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)L3：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)L2：機(jī)器語(yǔ)言 (傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) )L1：微程序機(jī)器級(jí)軟件硬 /固件 提供傳統(tǒng)機(jī)器所沒(méi)有的 基本操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，和傳統(tǒng)機(jī)器的指令集一起提供給更高層次的 虛擬機(jī)使用，稱為系統(tǒng)功能調(diào)用、系統(tǒng)參數(shù)。 每一層以一種語(yǔ)言為特征216。 20世紀(jì) 80年代初 RISC結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，從 80年代中期開(kāi)始，計(jì)算機(jī)性能增長(zhǎng)達(dá)到了每年 50%以上。216。主要原因是：n 大功耗問(wèn)題；n 可以進(jìn)一步有效地開(kāi)發(fā)的指令級(jí)并行性已經(jīng)很少；n 存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度的提高緩慢。微程序一般是直接由 硬件解釋實(shí)現(xiàn) 的，因此工作于該級(jí)的程序員實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員。通常的第 2和 3級(jí)是用 解釋 方法實(shí)現(xiàn)的，而第 4級(jí)或更高級(jí)則 經(jīng)常是用翻譯方法實(shí)現(xiàn)。 216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)科學(xué)定義： 機(jī)器語(yǔ)言程序員或編譯程序編寫(xiě)者所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性?！? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的界限模糊。數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理 Amdahl定律n 加速比（ Sp）定義： n Amdahl定律： 加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。一般情況下部件加速比是大于 1的。 時(shí)鐘周期時(shí)間：取決于硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成。 在這兩種 CPU中，條件分支指令都占用 2個(gè)時(shí)鐘周期，而所有其他指令占用 1個(gè)時(shí)鐘周期。 程序的空間局部性 :程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。 桌面臺(tái)式機(jī)用戶關(guān)心的是：?jiǎn)蝹€(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間（性能好意味著執(zhí)行單個(gè)程序所花的時(shí)間很少）216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 吞吐率 （吞吐量，流量）216。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)基準(zhǔn)測(cè)試程序n 早期測(cè)試方法中采用簡(jiǎn)化的程序，
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