[工學(xué)]1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)(編輯修改稿)
2025-02-15 10:33 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鐘周期，而所有其他指令占用 1個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于 CPUA， 執(zhí)行的指令中分支指令占 20%；由于每條分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占 20%。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 。問：哪一個(gè) CPU更快？如果 CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間只是 CPUA的 ，哪一個(gè) CPU更快呢？ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理程序的局部性原理n 程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。n 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 :程序執(zhí)行時(shí)間的 90%都是在執(zhí)行程序中 10%的代碼。n 局部性包括時(shí)間局部性和空間局部性216。 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。216。 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。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理n 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)包括指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)表示的設(shè)計(jì)、功能的組織、邏輯設(shè)計(jì)以及其物理實(shí)現(xiàn)等。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。 確定用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求；216。 軟硬件功能分配；216。 設(shè)計(jì)出生命周期長(zhǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 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(píng)測(cè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，與測(cè)試者看問題的角度有關(guān)。216。 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。 數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：吞吐率（性能好意味著在單位時(shí)間里能夠完成的任務(wù)很多） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 假設(shè)兩臺(tái)計(jì)算機(jī) X和 Y， X比 Y快的意思是：對(duì)于給定的任務(wù)， X的執(zhí)行時(shí)間比 Y的執(zhí)行時(shí)間少。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(píng)測(cè)n 目前廣泛采用的一致和可靠的性能評(píng)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。 計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問、存儲(chǔ)器訪問、輸入 /輸出、操作系統(tǒng)開銷等。216。 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。p 用戶 CPU時(shí)間：用戶程序所耗費(fèi)的 CPU時(shí)間。p 系統(tǒng) CPU時(shí)間：用戶程序運(yùn)行期間操作系統(tǒng)耗費(fèi)的 CPU時(shí)間。 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。 吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能完成的任務(wù)數(shù)。216。 兩個(gè)主要的吞吐率單位p MIPS（ Million instructions per second） 每秒百萬次指令其中： IC為指令總條數(shù)； TE為執(zhí)行 IC條指令所用時(shí)間； TC為時(shí)鐘周期時(shí)間； Rc為系統(tǒng)時(shí)鐘周期頻率。 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。 吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所能完成的任務(wù)數(shù)。216。 兩個(gè)主要的吞吐率單位p MFLOPS（ Million floating point operations per second） 每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算其中： ICF為浮點(diǎn)運(yùn)算總次數(shù)； TE為完成 ICF次浮點(diǎn)運(yùn)算所需時(shí)間。 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，如： (1) 核心測(cè)試程序 (2) 小測(cè)試程序 (3) 合成測(cè)試程序 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè) 由從真實(shí)程序中提取的較短但很關(guān)鍵的代碼構(gòu)成，可以根據(jù)需要評(píng)價(jià)機(jī)器的各種性能?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序n 早期測(cè)試方法中采用簡(jiǎn)化的程序，如： (1) 核心測(cè)試程序 (2) 小測(cè)試程序 (3) 合成測(cè)試程序 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)指代碼為幾十行、具有一些特定目的的測(cè)試程序?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序n 早期測(cè)試方法中采用簡(jiǎn)化的程序，如： (1) 核心測(cè)試程序 (2) 小測(cè)試程序 (3) 合成測(cè)試程序 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)對(duì)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(cè)試程序，是完全人為制造出來的程序?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序n 早期測(cè)試方法中采用簡(jiǎn)化的程序，如： (1) 核心測(cè)試程序 (2) 小測(cè)試程序 (3) 合成測(cè)試程序n 上述三種測(cè)試程序現(xiàn)在已經(jīng)不可信了。因?yàn)椋?1) 這些程序比較小，具有片面性；(2) 設(shè)計(jì)者可針對(duì)這些測(cè)試程序進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)“ 顯得 ” 性能更高。n 基準(zhǔn)測(cè)試程序的最佳選擇是真實(shí)應(yīng)用程序。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 性能測(cè)試的結(jié)果除了和采用什么測(cè)試程序有關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測(cè)試有關(guān)。因此基準(zhǔn)測(cè)試程序設(shè)計(jì)者要求制造商：216。 采用同一種編譯器；216。 對(duì)同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。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(cè)試程序，稱為基準(zhǔn)測(cè)試程序套件。216。 由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成。216。 主要優(yōu)點(diǎn)是不同的測(cè)試程序之間可以互相彌補(bǔ)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)n 最成功和最常見的測(cè)試程序套件 SPEC系列：216。 SPEC89：用于測(cè)試處理器性能，包含 10個(gè)程序（ 4個(gè)整數(shù)程序， 6個(gè)浮點(diǎn)程序）。演化出了 4個(gè)版本： SPEC9 SPEC9 SPEC2022和 SPEC CPU2022。216。 SPECSFS：用于 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測(cè)試程序。216。 SPECWeb： Web服務(wù)器測(cè)試程序。216。 SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL庫的性能。216。 SPECapc：用于測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)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(tái)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(píng)測(cè)n 從該表可以得出：執(zhí)行程序 1:
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