第1章计算机系统结构基础

第1章计算机系统结构基础1.1引言1.2计算机系统结构基本概念1.3计算机系统的设计1.4计算机系统的性能评测1.5计算机系统结构的发展1.6计算机系统结构中并行性的发展计算机系统结构第1章计算机系统结构基础1.1引言第一台通用电子计算机诞生于1946年计算机技术的飞速发展受益于两个方面计算机制造技术的发展计算机系统结构的创新经历了四个发展过程1.1引言时间原因每年的性能增长1946年起的25年两种因素都起着主要的作用25%20世纪70年代末～80年代初大规模集成电路和微处理器出现,以集成电路为代表的制造技术的发展约35%80年代中开始RISC结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展50%以上维持了约17年2003年以来大功耗问题；可以进一步有效地开发的指令级并行性已经很少；存储器访问速度的提高缓慢。约20%1.1引言体系结构与组织方式的发展一起促成了计算机性能以超过50%的年增长率持续增长17年（1986~2003），这一飞速发展共有四重效果：显著增强了可供计算机用户使用的功能性价比的大幅度提高导致了新型计算机的出现。根据摩尔定律的预测，半导体制造业的持续发展已经使基于微处理器的计算机在整个计算机设计领域中占据了主导地位。对软件开发的影响，允许今天的程序员以性能换取生产效率。1.1引言从2003年开始，由于风冷芯片最大功耗和无法有效地开发更多指令级并行这两大孪生瓶颈，单处理器的性能提高速度下降到每年不足22%。事实上，Intel在2004年取消了自己的高性能单核处理器项目，转而和其他公司一起宣布：为了获得更高性能的处理器，应当提高一个芯片上集成的核心数目，而不是加快单核处理器的速度。这是一个标着历史性转折的里程碑信号，处理器性能的提高从单纯依赖指令级并行转向数据级并行和线程级并行甚至请求级并行。结论：计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。1.1引言计算机的分类：特征个人移动设备台式机服务器机群/仓库级计算机嵌入式系统价格$100~$1000$300~$2500$5000~$10000000$100000~$200000000$10~$100000微处理器价格$10~$100$50~500$200~$2000$50~$250$0.01~$100关键的系统设计问题成本；能耗；媒体性能响应率。性价比；能耗；图形性能。吞吐量；可用性；可扩展性；能耗。性价比；吞吐量；能耗均衡性。价格；能耗；应用的特有性能。第1章计算机系统结构基础1.2计算机系统结构基本概念本节导引：计算机系统的层次结构计算机系统结构的定义计算机组成和计算机实现计算机系统的分类1.2计算机系统结构基本概念1.2.1计算机系统的层次结构计算机系统＝硬件/固件＋软件计算机语言从低级向高级发展高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。每一层以一种语言为特征1.2计算机系统结构基本概念第6级：应用语言机器第5级：高级语言机器第4级：汇编语言机器第3级：操作系统机器第2级：传统机器语言机器第1级：微程序机器虚拟机物理机应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或是某种中间语言程序，或是机器语言程序）汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序一般用机器语言程序解释作业控制语句等用微指令程序解释机器指令微指令由硬件直接执行1.2计算机系统结构基本概念物理机:用硬件/固件实现的机器固件：具有软件功能的硬件。虚拟机：由软件实现的机器各机器级的实现主要靠翻译或解释，或两者的结合。翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。1.2计算机系统结构基本概念1.2.2计算机系统结构的定义计算机系统结构的经典定义传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。（1964年Amdahl在介绍IBM360系统时提出的）按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。透明性在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。计算机系统结构的实质：确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。1.2计算机系统结构基本概念1.2.3计算机组成和计算机实现计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。第1章计算机系统结构基础计算机实现：计算机组成的物理实现包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。具有相同系统结构的计算机可以采用不同的计算机组成。同一种计算机组成又可以采用多种不同的计算机实现。1.2计算机系统结构基本概念1.2.4计算机系统的分类常见的计算机系统分类法：Flynn分类法、冯氏分类法1.2计算机系统结构基本概念Flynn分类法按照指令流和数据流的多倍性进行分类。指令流：计算机执行的指令序列数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。多倍性：在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。据此把计算机系统分为4类：单指令流单数据流SISD单指令流多数据流SIMD多指令流单数据流MISD多指令流多数据流MIMD1.2计算机系统结构基本概念单指令流单数据流（SISD）传统的单处理器计算机。每次指令部件对一条指令进行译码并只对一个操作部件分配数据。CU--控制部件；PU—处理机；MM—主存模块；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—数据流1.2计算机系统结构基本概念单指令流多数据流（SIMD）阵列处理机和相联处理机。CU--控制部件；PU—处理机；MM—主存模块；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—数据流1.2计算机系统结构基本概念多指令流单数据流（MISD）处理机间的宏流水及脉动阵列流水处理机。按不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理，一个处理单元的输出作为另一个处理单元的输入。CU--控制部件；PU—处理机；MM—主存模块；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—数据流1.2计算机系统结构基本概念多指令流多数据流能实现作业、任务、指令、数组各级全面并行的多机系统。CU--控制部件；PU—处理机；MM—主存模块；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—数据流1.2计算机系统结构基本概念冯氏分类法按数据处理的并行度进行分类。1、字串位串（WSBS）位串处理方式，每次只处理一个字中的一位，早期的位串行计算机。2、字串位并（WSBP）字（字片）处理方式，每次处理一个字中的n位，位并行单处理机。3、字并位串（WPBS）位（位片）处理方式，每次处理m个字中的一位，相联处理机，阵列处理机。4、字并位并（WPBP）全并行处理方式，一次处理m个字，其每个字为n位，相联处理机，阵列处理机，多处理机。第1章计算机系统结构基础1.3计算机系统的设计本节导引：计算机系统设计的定量原理计算机系统设计者的主要任务计算机系统设计的主要方法1.3计算机系统的设计1.3.1计算机系统设计的定量原理4个定量原理：以经常性事件为重点Amdahl定律CPU性能公式程序的局部性原理1.3计算机系统的设计1.以经常性事件为重点对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改进。优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或者分配更多的电能等。如，处理器的取值指令和译码器比乘法器用得更频繁，所以应该先对取值指令和译码器进行优化设计。1.3计算机系统的设计2.Amdahl定律该定律是1967年IBM公司的Amdahl在设计IBM360系列机时首先提出的。该定律可用于确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高速度后能得到的系统性能改进的程度。加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。系统性能加速比：改进后改进前改进前改进后总执行时间总执行时间系统性能系统性能加速比1.3计算机系统的设计加速比依赖于两个因素可改进比例：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。它总是小于等于1。例如：一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么这个比例就是20/60。部件加速比：可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。一般情况下部件加速比是大于1的。例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒，而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。1.3计算机系统的设计改进后程序的总执行时间：间不可改进部分的执行时总执行时间改进后行时间可改进部分改进后的执改进前改进后总执行时间可改进比例总执行时间)1(部件加速比总执行时间可改进比例改进前改进前总执行时间部件加速比可改进比例可改进比例])1[(1.3计算机系统的设计系统加速比改进后改进前总执行时间总执行时间系统加速比部件加速比可改进比例可改进比例)1(1SeFeFeAmdahl)1(1Sn定律的符号表示：1.3计算机系统的设计在多个部件可改进的情况下，Amdahl定理的扩展：iiinSFFS)1(1其中：Sn为系统加速比，Fi为第i个部件的可改进比例，Si为第i个部件的部件加速比。1.3计算机系统的设计例1.1将计算机系统中某一功能的处理速度加快15倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？解由题可知：可改进比例Fe=40%=0.4部件加速比Se=15根据Amdahl定律可知：采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.6倍。6.1154.0)4.01(1Sn1.3计算机系统的设计例1.2某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的25倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的4倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。解由题可知：部件加速比Se=25系统加速比Sn=4根据Amdahl定律可知：由此可得：可改进比例=78.1%即程序中浮点操作所占的比例为78.1%。25114FeFe1.3计算机系统的设计例1.3计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10如果部件1和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl定理的扩展：iiinSFFS)1(1已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：）（）（10/20/0.330/0.30.30.3-111033FF得F3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。1.3计算机系统的设计Amdahl定律：一种性能改进的递减规则如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。以例1.1来说，如果部件加速比由15增大到100，则在可改进比例仍为0.