[工學(xué)]1計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識(參考版)
2025-01-22 10:33本頁面
【正文】 具體數(shù)據(jù)如下表所示：（ 1）改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？（ 2）各類操作單獨改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？（ 3） 4類操作均改進(jìn)后，整個程序的加速比是多少？操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進(jìn)前的執(zhí)行時間（周期）改進(jìn)后的執(zhí)行時間（周期）操作 1 10 2 1操作 2 30 20 15操作 3 35 10 3操作 4 15 4 1。如果 30%的指令中每條只需 1次存儲器存取，而另外 5%中每條需要 2次存儲器存取，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。假定每次存儲器存取周期為 1的延遲，試問： （ 1）計算在該處理機(jī)的平均 CPI； （ 2）假定將處理機(jī)的時鐘提高到 30MHz，但存儲系統(tǒng)速率不變。試比較這兩種設(shè)計方案。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展假定某計算機(jī)有以下測試結(jié)果： 浮點操作指令使用頻率為 25%； 浮點指令平均 CPI為 ； 其他操作指令平均 CPI為 ； 浮點平方根指令的使用頻率為 1%； 浮點平方根指令的 CPI為 20。216。 可重構(gòu)系統(tǒng)對計算機(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)展機(jī)間互連216。216。 216。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展功能專用化（實現(xiàn)時間重疊 ）216。表現(xiàn)為兩種形式： n 多臺計算機(jī)和共享的外存設(shè)備連接，不同機(jī)器之間實現(xiàn)功能上的分工，處理結(jié)果以文件或數(shù)據(jù)集的形式送到共享外存設(shè)備，供其他機(jī)器繼續(xù)處理。n 松散耦合系統(tǒng)（間接耦合系統(tǒng)）：一般是通過通道或通信線路實現(xiàn)計算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備。 緊密耦合系統(tǒng)216。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展多機(jī)系統(tǒng)遵循時間重疊、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。n 陣列處理機(jī)（并行處理機(jī)）：設(shè)置許多相同的處理單元，讓它們在同一個控制器的指揮下，按照同一條指令的要求，對向量或數(shù)組的各元素同時進(jìn)行同一操作，就形成了陣列處理機(jī)。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機(jī)中，資源重復(fù)原理的運用也已經(jīng)十分普遍。 按時間重疊原理把各部分的執(zhí)行過程在時間上重疊起來，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。 把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分；216。 提高并行性的技術(shù)途徑 在發(fā)展高性能單處理機(jī)過程中，起主導(dǎo)作用的是時間重疊原理。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計算機(jī)系統(tǒng)的性能。 并行性的概念n 時間重疊引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。通常是以一個進(jìn)程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。n 指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。n 全并行：同時對許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。n 字串位并：同時對一個字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。 并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。 通用計算機(jī)一直是計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的主流。 不同的應(yīng)用對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了不同的要求，從而出現(xiàn)多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 應(yīng)用需求是促使計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動力。216。 器件技術(shù)，特別是 VLSI技術(shù)發(fā)展迅速。 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 器件是促使計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍因素。 高級語言有多種，且不同計算機(jī)上的同一種語言也不是完全相同；216。 仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用。 模擬程序存儲在主存中，仿真程序存儲在控制存儲器中，因此仿真的運行速度比模擬方法的快。 除了仿真目標(biāo)機(jī)的指令集外，還要仿真目標(biāo)機(jī)的存儲系統(tǒng)、 I/O系統(tǒng)和控制臺操作。 這個微程序是專門為實現(xiàn)目標(biāo)機(jī)指令集而設(shè)計的，稱為仿真微程序。 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 仿真：用一臺現(xiàn)有機(jī)器（宿主機(jī)）上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令集。216。216。216。 從指令集的角度來看，就是要在一種機(jī)器上實現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。 能在一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。n 向后兼容是系列機(jī)的根本特征！n 兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機(jī) 。216。 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響n 系列機(jī)的軟件兼容有四種方式：216。216。216。 模擬與仿真216。n 實現(xiàn)可移植性的常用方法216。諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)n 軟件的可移植性：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機(jī)移植到另一臺計算機(jī)上正確地運行，差別只是執(zhí)行時間的不同。 多種靈活的尋址方式。 復(fù)雜指令集計算機(jī)（ CISC）216。n 通用寄存器組、高速緩沖存儲器 Cache 馮 216。諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)（ 3）存儲器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展n 相聯(lián)存儲器與相聯(lián)處理機(jī)216。把一個作業(yè)（程序）劃分為多個能夠并行執(zhí)行的任務(wù)（程序段），把每個任務(wù)分配給一個處理機(jī)執(zhí)行。如向量計算。 馮 馮 216。216。216。216。 在存儲器中，指令和數(shù)據(jù)同等對待。 以運算器為中心。 諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn) 存儲程序計算機(jī)的結(jié)構(gòu) 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展馮 C機(jī)執(zhí)行程序 1和程序 2的速度是 A機(jī)的 216。 計算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 總執(zhí)行時間：計算機(jī)執(zhí)行所有測試程序總時間216。 C機(jī)的速度是 A機(jī)的 50倍216。 B機(jī)的速度是 C機(jī)的 2倍執(zhí)行程序 2:216。 A機(jī)的速度是 B機(jī)的 10倍216。 SPECapc：用于測試圖形密集型應(yīng)用的性能。 SPECviewperf：用于測試圖形系統(tǒng)支持 OpenGL庫的性能。 SPECWeb： Web服務(wù)器測試程序。 SPECSFS：用于 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測試程序。演化出了 4個版本： SPEC9 SPEC9 SPEC2022和 SPEC CPU2022。 計算機(jī)系統(tǒng)的性能評測n 最成功和最常見的測試程序套件 SPEC系列：216。216。216。 對同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。因此基準(zhǔn)測試程序設(shè)計者要求制造商：216
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