【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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 = ?（ CPIi ICi） 時(shí)鐘周期時(shí)間 CPI可以表示為： CPI = = = 其中： (ICi/IC)反映了第 i種指令在程序中所占的比例。 i=1 n 時(shí)鐘周期數(shù) IC ?（ CPIi ICi） i=1 n IC ?（ CPIi ） i=1 n ICi IC 44/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 例 假設(shè) FP指令的比例為 25%，其中， FPSQR占全部指令的 比例為 2%， FP操作的 CPI為 4， FPSQR操作的 CPI為 20 ，其他指令 的平均 CPI為 ?，F(xiàn)有兩種改進(jìn)方案，第一種是把 FPSQR操作的 CPI減至 2，第二種是把所有的 FP操作的 CPI減至 2，試比較兩種方案 對系統(tǒng)性能的提高程度。 解 沒有改進(jìn)之前，每條指令的平均時(shí)鐘周期 CPI為： ? ? ? ? 2%%2541??????????? ?? ??niii ICICC PIC PI45/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （ 1）采用第一種方案 FPSQR操作的 CPI由 CPIFPSQR＝ 20減至 CPI’FPSQR＝ 2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為： CPI1＝ CPI― （ CPIFPSQR―CPI’ FPSQR） 2% ＝ 2―(20―2) 2%＝ （ 2）采用第二種方案 所有 FP操作的 CPI由 CPIFP＝ 4減至 CPI’FP＝ 2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為： CPI2＝ CPI― （ CPIFP―CPI’ FP） 25% ＝ 2―(4―2) 25%＝ 從降低整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)的程度來看，第二種方案優(yōu)于第一種方案。 46/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 例 考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法： （ 1） CPU1： 通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條件碼進(jìn)行分支。 （ 2） CPU2： 在分支指令中包括比較過程。 在這兩種 CPU中，條件分支指令都占用 2個(gè)時(shí)鐘周期，而所有其它指令占用 1個(gè)時(shí)鐘周期。對于 CPU1，執(zhí)行的指令中分支指令占30%；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 30%。由于 CPU1在分支時(shí)不需要比較，因此 CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間是 CPU1的 。問：哪一個(gè) CPU更快？如果 CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間只是 CPU1的 ，哪一個(gè) CPU更快呢？ 47/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 解 我們不考慮所有系統(tǒng)問題，所以可用 CPU性能公式。占用 2個(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的 30%，剩下的指令占用 1個(gè)時(shí)鐘周期。所以 CPI1 = 2 + 1 = 則 CPU1性能為： 總 CPU時(shí)間 1 = IC1 時(shí)鐘周期 1 根據(jù)假設(shè)，有： 時(shí)鐘周期 2 = 時(shí)鐘周期 1 在 CPU2中沒有獨(dú)立的比較指令，所以 CPU2的程序量為 CPU1的 70%，分支指令的比例為： 48/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30%/70% = % 這些分支指令占用 2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的 %的指令占用 1個(gè)時(shí)鐘周期，因此： CPI2 = 2 + 1 = 因?yàn)?CPU2不執(zhí)行比較，故： IC2 = IC1 因此 CPU2性能為： 總 CPU時(shí)間 2 = IC2 CPI2 時(shí)鐘周期 2 = IC1 （ 時(shí)鐘周期 1） = IC1 時(shí)鐘周期 1 49/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在這些假設(shè)之下，盡管 CPU2執(zhí)行指令條數(shù)較少， CPU1因?yàn)橛兄? 短的時(shí)鐘周期，所以比 CPU2快。 如果 CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅是 CPU1的 ，則 時(shí)鐘周期 2 = 時(shí)鐘周期 1 CPU2的性能為： 總 CPU時(shí)間 2 = IC2 CPI2 時(shí)鐘周期 2 = IC1 （ 時(shí)鐘周期 1） = IC1 時(shí)鐘周期 1 因此 CPU2由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比 CPU1運(yùn)行更快。 50/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4. 程序的局部性原理 程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲器地址分布不是隨機(jī) 的，而是相對地簇聚。 ? 常用的一個(gè)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。 ? 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。 ? 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。 51/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(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。 2. 設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大致要完成 3個(gè)方面的工作。 ? 確定用戶對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的目標(biāo) 設(shè)計(jì)出能滿足用戶的功能需求、有較長的生命周期、且又具有很高的性能價(jià)格比的系統(tǒng)。 ? 功能需求 ：根據(jù)市場的需要以及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域來確定 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù) 52/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 應(yīng)用領(lǐng)域 專用還是通用？面向科學(xué)計(jì)算還是面向商用處理？ ? 軟件兼容 軟件兼容 是指一臺計(jì)算機(jī)上的程序不加修改就可以搬到另一臺計(jì)算機(jī)上正常運(yùn)行。 ? 操作系統(tǒng)需求 包括地址空間大小、存儲管理、保護(hù)等。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對操作系統(tǒng)的需求提供支持，是很重要的一點(diǎn)。 ? 標(biāo)準(zhǔn) 確定系統(tǒng)中哪些方面要采用標(biāo)準(zhǔn)以及采用什么標(biāo)準(zhǔn)。 如： 浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、 I/O總線標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、程序設(shè)計(jì)語言 標(biāo)準(zhǔn)等。 53/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 軟硬件功能分配 ? 考慮如何優(yōu)化設(shè)計(jì)？ 必須考慮軟硬件功能的合理分配。 ? 軟件和硬件在實(shí)現(xiàn)功能上是等價(jià)的 ? 用軟件實(shí)現(xiàn) 的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)容易、修改簡單，而且可以減少硬件成本。但是所實(shí)現(xiàn)的功能的速度較慢。 ? 用硬件實(shí)現(xiàn) 的優(yōu)點(diǎn)：速度快、性能高，但它修改困難，靈活性差。 ? 在軟硬件之間進(jìn)行折中和取舍。 54/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 設(shè)計(jì)出生命周期長的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 特別注意 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 和 計(jì)算機(jī)技術(shù) 的發(fā)展趨勢 ? 設(shè)計(jì)出具有一定前瞻性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使得它具有較長的生命周期。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法 1. “由上往下” （ topdown） 設(shè)計(jì) ? 從層次結(jié)構(gòu)中的最上面一級開始，逐層往下設(shè)計(jì)各層的機(jī)器。 L6 ：應(yīng)用語言虛擬機(jī) L5 ：高級語言虛擬機(jī) L4 ：匯編語言虛擬機(jī) L3 ：操作系統(tǒng)虛擬機(jī) L2 ：傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器 L1 ：微程序機(jī)器 由上往下設(shè)計(jì) 第一步：確定這一級的基本特征 第二步：設(shè)計(jì)或選擇面向這種 應(yīng)用的高級語言 第三步：設(shè)計(jì)適合所用高級語言 編譯的中間語言 第四步：設(shè)計(jì)面向這種應(yīng)用的 操作系統(tǒng) 第五步：設(shè)計(jì)面向所用編譯程序 和操作系統(tǒng)的機(jī)器語言 第六步：設(shè)計(jì)面向機(jī)器語言的 微指令及其硬件56/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 首先確定面對使用者的那級機(jī)器的基本特征、數(shù)據(jù)類型和格式、基本命令等。 ? 然后再逐級往下設(shè)計(jì)，每級都考慮如何優(yōu)化上一級的實(shí)現(xiàn)。 ? 適合于 專用機(jī)的設(shè)計(jì)，而不適合通用機(jī)的設(shè)計(jì)。 2. “由下往上” （ bottomup） 設(shè)計(jì) ? 從層次結(jié)構(gòu)的最下面一級開始，逐層往上設(shè)計(jì)各層的機(jī)器。 ? 采用這種方法時(shí)，軟件技術(shù)完全處于被動狀態(tài)，這會造成軟件和硬件的脫節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。 （在早期被采用得比較多，現(xiàn)在已經(jīng)很少被采用了 ） 57/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3. “從中間開始” （ middleout） 設(shè)計(jì) ? “ 由上往下 ” 和 “ 由下往上 ” 設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn) 軟、硬件設(shè)計(jì)分離和脫節(jié) ? 解決方法： 綜合考慮軟、硬件的分工，從中間開始設(shè)計(jì)。 ? “ 中間 ” ：層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件的交界面，目前一般是在傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級與操作系統(tǒng)機(jī)器級之間。 ? 從中間開始設(shè)計(jì) ? 首先要進(jìn)行軟、硬件功能分配，確定好這個(gè)界面。 ? 然后從這個(gè)界面開始，軟件設(shè)計(jì)者開始往上設(shè)計(jì) L6 ：應(yīng)用語言虛擬機(jī) L5 ：高級語言虛擬機(jī) L4 ：匯編語言虛擬機(jī) L3 ：操作系統(tǒng)虛擬機(jī) L2 ：傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器 L1 ：微程序機(jī)器 從中間開始設(shè)計(jì) 軟硬件交界面 59/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 操作系統(tǒng)、匯編、編譯系統(tǒng)等，硬件設(shè)計(jì)者開始往下設(shè) 計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器級、微程序機(jī)器級等。 60/101 ▲ 1. 執(zhí)行時(shí)間和吞吐率 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)。 ? 用戶關(guān)心的是： 單個(gè)程序的 執(zhí)行時(shí)間 （執(zhí)行單個(gè) 程序所花的時(shí)間很少） ? 數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是： 吞吐率 （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)的性能評測 61/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測 假設(shè)兩臺計(jì)算機(jī)為 X和 Y， X比 Y快 的意思是： 對于給定任務(wù)， X的執(zhí)行時(shí)間比 Y的執(zhí)行時(shí)間少。 X的性能是 Y的 n倍： 執(zhí)行時(shí)間與性能成反比： 執(zhí)行時(shí)間 Y 執(zhí)行時(shí)間 X =n n= = = 執(zhí)行時(shí)間 Y 執(zhí)行時(shí)間 X 性能 Y 1 性能 X 1 性能 X 性能 Y 62/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測 ? 執(zhí)行時(shí)間可以有多種定義： ? 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、存儲器訪問、輸入 /輸出、操作系統(tǒng)開銷等。 ? 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)行其它程序的時(shí)間。 ? 用戶 CPU時(shí)間： 用戶程序所耗費(fèi)的 CPU時(shí)間。 ? 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。 63/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測 2. 基準(zhǔn)測試程序 ? 用于測試和比較性能的基準(zhǔn)測試程序的最佳選擇是 真實(shí)應(yīng)用程序。 （例如編譯器） ? 以前常采用簡化了的程序，例如： ? 核心測試程序： 從真實(shí)程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu) 成的小程序。 ? 小測試程序： 簡單的只有幾十行的小程序。 ? 合成的測試程序： 人工合成出來的程序。 Whetstone與 Dhrystone是最流行的合成測試程序。 從測試性能的角度來看，上述測試程序不可信了。 64/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測 原因： ? 這些程序比較小，具有片面性； ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和編譯器的設(shè)計(jì)者可以 “ 合謀 ” 把他 們的機(jī)器面向這些測試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該 機(jī)器顯得性能更高。 ? 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)。 ? 基準(zhǔn)測試程序設(shè)計(jì)者對制造商的要求 ? 采用同一種編譯器； ? 對同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。 65/101 ▲ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評測 ? 一個(gè)問題： 是否允許修改測試程序的源程序