計算機系統結構第1講(編輯修改稿)
2024-11-03 10:35 本頁面
【文章內容簡介】 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： 一個由 8臺機器組成的 Cluster系統，每臺機器是 4個 PentiumIII 500組成的 SMP系統；計算這個 Cluster系統的指令峰值速度。 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. 存儲能力 尋址空間大小， 21 22 23 26 … 存儲容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式 存儲系統： Lookahead ? Cache ? Main Memory ? Online Storage ? Offline Storage 2. 字長 1～幾百位 關鍵問題：程序與數據共用同一個主存儲器 早期：由指令字長決定 當前：由數據字長決定 ， 8的倍數 ， 如： 32位 、 64位等 可變字長：任意組合 3. 數據類型 目前常用：定點、浮點、邏輯 已有類型：向量、串、棧、樹 發(fā)展方向：自定義 4. 指令系統 CISC： 復雜指令集計算機 RISC： 精簡指令集計算機 VLIW： 超長指令字 5. 輸入輸出能力 輸入輸出方式 中斷系統 輸入輸出接口 6. 兼容性 共分 12級： 0～ 11， 0級為完全不兼容，11級為自身 7. 保護和診斷能力 程序與數據的保護 診斷能力：檢錯、糾錯、冗余、自診斷能力 可靠性： RAS技術 ， 可靠性 R、 可用性 A、可維護性 . 2 其他方面的性能 1. 價格與性能的關系 根據摩爾定理： 性能每 10年提高 100倍，但價格基本不變 用同樣的價格，五年之后能買到性能高十倍的機器 2. 硬件與軟件的價格比例 硬件的比例下降，軟件的比例上升 目前軟件價格已經超過硬件價格 第一章 基本概念 計算機系統結構的定義 計算機系統的評價標準 計算機系統的設計方法 計算機系統結構的發(fā)展 計算機系統的分類 計算機系統的設計技術 軟硬件取舍，軟件兼容性設計方法，計算機系統設計過程 軟硬件取舍 1. 軟硬件的關系 理論上，有兩種極端實現方法 全硬件機器，包括操作系統、高級語言、應用程序等 硬件只有 1位加法和分支操作，其他都用軟件實現 關鍵問題：性能與價格的關系，軟硬件實現在功能上等效 計算機系統結構設計者的主要任務就是要確定軟硬件的分界；軟件、硬件和固件的功能分配 軟件與硬件實現的特點 硬件實現：速度快、成本高；靈活性差、占用內存少 軟件實現：速度低、復制費用低；靈活性好、占用內存多 發(fā)展趨勢 硬件實現的比例越來越高，硬件所占的成本越來越高 發(fā)展 不可編程 目前計算機 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. 從價格因素考慮的軟硬件取舍 設： 硬件設計費為 Dh 軟件設計費為 Ds 硬件拷貝費為 Ch 軟件拷貝費為 Cs R為軟件重復出現次數（占用內存、占用介質） 當臺數為 V時，每臺的硬件費用和軟件費用之比為： （ ）：（ ）DhVCh DsVR Cs? ? ? 由于： Dh Ds， Ch Cs， 有 結論 1：當 R很大時，即經常使用的基本功能適宜用硬件實現 由于： Ds Cs， 有 結論 2： 當 V很大時，即生產臺數很多時適宜用硬件實現 另外，還要從處理機速度和國家需要等方面來考慮。 計算機系統結構 （第 3講） 3. 從改進性能考慮的軟硬件取舍 基本方法： 加快經常性事件的執(zhí)行速度 Amdahl定律： 系統中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關。 在 Amdahl定律中 ， 加速比與兩個因素有關： 時間改進后改進部分的執(zhí)行時間改進前改進部分的執(zhí)行，時間改進前整個任務的執(zhí)行可改進部分占用的時間??SeFe改進后整個任務的執(zhí)行時間為： 其中Ｔ 0為改進前的整個任務的執(zhí)行時間 。 改進后整個系統的加速比為： 其中 （ 1Fe)表示不可改進部分 。 T T F FSn eee? ? ? ?0 1( )STT F FSnneee? ?? ?0 11( )例 5： 假設將某一部件的處理速度加快到 10倍 ， 該部件的原處理時間僅為整個運行時間的 40%， 則采用加快措施后能使整個系統的性能提高多少 ？ 解： 由題意可知： Fe=, Se=10， 根據Amdahl定律，加速比為： S n ?? ?? ?11 0 40 41010 641 56( . ). . . 軟件兼容性設計方法 原因： 軟件相對于硬件的成本越來越貴，已積累了大量成熟的系統軟件和應用軟件。 兼容種類 向后兼容 在某一時間生產的機器上運行的目標軟件能夠直接運行于更晚生產的機器上。 向前兼容 向上兼容 在低檔機器上運行的目標軟件能夠直接運行于高檔機器上。 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：系列機方法 系列機定義： 具有相同的系統結構，不同組成和實現的一系列計算機系統 實現方法： 在系統結構基本不變的基礎上，根據不同性能的要求和當時的器件發(fā)展情況，設計出各種性能、價格不同的計 算機系統。 一種系統結構可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實現。 如 IBM370系列機： 370/11 12 13 14 15 168等各種型號。 相同的系統結構，不同的組成和實現技術，不同的性能和價格。 相同的指令系統，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，數據通道的寬度分別為 8位、 16位、 32位、 64位。 PC系列機： 808 808 8018 8028 80388048 Pentium、 PentiumII、 PentiumIII 不同工作主頻； 不同擴展功能： Pentium、 Pentium Pro、Pentium MMX 不同的 Cache： PentiumII、 Celeron、Xeon 不同的字長： 8位（ 8088）、 16位（ 80286
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