計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1講(編輯修改稿)
2024-11-03 10:35 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 指令速度 MIPS、 GIPS、 TIPS Pentium III 500有 3條指令流水線，則其峰值指令速度為： 3 500MHz＝ 1500 (MIPS) 即每秒 15億次 例 3： 一個(gè)由 8臺(tái)機(jī)器組成的 Cluster系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)器是 4個(gè) PentiumIII 500組成的 SMP系統(tǒng)；計(jì)算這個(gè) Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。 解： 峰值指令速度： 500MHz ? ８ ?４ ?３ ＝ 48(GIPS) 即每秒 480億次。 峰值指令速度 MIPS、 GIPS、 TIPS . 2 其他方面的性能 1. 存儲(chǔ)能力 尋址空間大小， 21 22 23 26 … 存儲(chǔ)容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式 存儲(chǔ)系統(tǒng)： Lookahead ? Cache ? Main Memory ? Online Storage ? Offline Storage 2. 字長(zhǎng) 1～幾百位 關(guān)鍵問(wèn)題：程序與數(shù)據(jù)共用同一個(gè)主存儲(chǔ)器 早期：由指令字長(zhǎng)決定 當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長(zhǎng)決定 ， 8的倍數(shù) ， 如： 32位 、 64位等 可變字長(zhǎng)：任意組合 3. 數(shù)據(jù)類(lèi)型 目前常用：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯 已有類(lèi)型：向量、串、棧、樹(shù) 發(fā)展方向：自定義 4. 指令系統(tǒng) CISC： 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) RISC： 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) VLIW： 超長(zhǎng)指令字 5. 輸入輸出能力 輸入輸出方式 中斷系統(tǒng) 輸入輸出接口 6. 兼容性 共分 12級(jí)： 0～ 11， 0級(jí)為完全不兼容，11級(jí)為自身 7. 保護(hù)和診斷能力 程序與數(shù)據(jù)的保護(hù) 診斷能力：檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、冗余、自診斷能力 可靠性： RAS技術(shù) ， 可靠性 R、 可用性 A、可維護(hù)性 . 2 其他方面的性能 1. 價(jià)格與性能的關(guān)系 根據(jù)摩爾定理： 性能每 10年提高 100倍，但價(jià)格基本不變 用同樣的價(jià)格，五年之后能買(mǎi)到性能高十倍的機(jī)器 2. 硬件與軟件的價(jià)格比例 硬件的比例下降，軟件的比例上升 目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過(guò)硬件價(jià)格 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(lèi) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù) 軟硬件取舍，軟件兼容性設(shè)計(jì)方法，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 軟硬件取舍 1. 軟硬件的關(guān)系 理論上，有兩種極端實(shí)現(xiàn)方法 全硬件機(jī)器，包括操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用程序等 硬件只有 1位加法和分支操作，其他都用軟件實(shí)現(xiàn) 關(guān)鍵問(wèn)題：性能與價(jià)格的關(guān)系，軟硬件實(shí)現(xiàn)在功能上等效 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)就是要確定軟硬件的分界；軟件、硬件和固件的功能分配 軟件與硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) 硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少 軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多 發(fā)展趨勢(shì) 硬件實(shí)現(xiàn)的比例越來(lái)越高，硬件所占的成本越來(lái)越高 發(fā)展 不可編程 目前計(jì)算機(jī) 最少硬件 軟件 硬件 軟 硬 件 比 例 七十年代 硬件 軟件 成本 年代 2. 從價(jià)格因素考慮的軟硬件取舍 設(shè)： 硬件設(shè)計(jì)費(fèi)為 Dh 軟件設(shè)計(jì)費(fèi)為 Ds 硬件拷貝費(fèi)為 Ch 軟件拷貝費(fèi)為 Cs R為軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)（占用內(nèi)存、占用介質(zhì)） 當(dāng)臺(tái)數(shù)為 V時(shí)，每臺(tái)的硬件費(fèi)用和軟件費(fèi)用之比為： （ ）：（ ）DhVCh DsVR Cs? ? ? 由于： Dh Ds， Ch Cs， 有 結(jié)論 1：當(dāng) R很大時(shí)，即經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實(shí)現(xiàn) 由于： Ds Cs， 有 結(jié)論 2： 當(dāng) V很大時(shí)，即生產(chǎn)臺(tái)數(shù)很多時(shí)適宜用硬件實(shí)現(xiàn) 另外，還要從處理機(jī)速度和國(guó)家需要等方面來(lái)考慮。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 3講） 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某種更快的執(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)。 在 Amdahl定律中 ， 加速比與兩個(gè)因素有關(guān)： 時(shí)間改進(jìn)后改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前改進(jìn)部分的執(zhí)行，時(shí)間改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行可改進(jìn)部分占用的時(shí)間??SeFe改進(jìn)后整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為： 其中Ｔ 0為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間 。 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 。 T T F FSn eee? ? ? ?0 1( )STT F FSnneee? ?? ?0 11( )例 5： 假設(shè)將某一部件的處理速度加快到 10倍 ， 該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的 40%， 則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少 ？ 解： 由題意可知： Fe=, Se=10， 根據(jù)Amdahl定律，加速比為： S n ?? ?? ?11 0 40 41010 641 56( . ). . . 軟件兼容性設(shè)計(jì)方法 原因： 軟件相對(duì)于硬件的成本越來(lái)越貴，已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 兼容種類(lèi) 向后兼容 在某一時(shí)間生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。 向前兼容 向上兼容 在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于高檔機(jī)器上。 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)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。 如 IBM370系列機(jī)： 370/11 12 13 14 15 168等各種型號(hào)。 相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，不同的性能和價(jià)格。 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。 相同的 32位字長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通道的寬度分別為 8位、 16位、 32位、 64位。 PC系列機(jī)： 808 808 8018 8028 80388048 Pentium、 PentiumII、 PentiumIII 不同工作主頻； 不同擴(kuò)展功能： Pentium、 Pentium Pro、Pentium MMX 不同的 Cache： PentiumII、 Celeron、Xeon 不同的字長(zhǎng)： 8位（ 8088）、 16位（ 80286
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