计算机系统结构(第2讲)主讲人郑纬民教授清华大学计算机系.

计算机系统结构（第2讲）主讲人：郑纬民教授清华大学计算机系第一章基本概念1.1计算机系统结构的定义1.2计算机系统的评价标准1.3计算机系统的设计方法1.4计算机系统结构的发展1.5计算机系统的分类1.2计算机系统的评价标准：性能和价格1.2.1性能评测的常用方法：运算速度1.时钟频率（主频）：用于同类处理机之间如：PentiumⅡ/450比PentiumⅡ/300快50％，…2.指令执行速度一种很经典的表示方法MIPS(MillionInstructionsPerSecond),KIPS,GIPS,TIPSMIPS10FzCPIIPCFz6指令条数执行时间其中，Fz为处理机的工作主频；CPI(CyclesPerInstruction)为每条指令所需的平均时钟周期数；IPC(InstructionPerCycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数例1：计算PentiumII450处理机的运算速度。解：由于PentiumII450处理机的IPC＝2(或CPI＝0.5),Fz＝450MHz，因此，MIPSPentiumII450＝Fz×IPC＝450×2＝900(MIPS)主要缺点：（1）不同指令的速度差别很大（2）指令使用频度差别很大（3）有相当多的非功能性指令3.等效指令速度：吉普森（Gibson）法其中，Wi：指令使用频度，i：指令种类静态指令使用频度：在程序中直接统计动态指令使用频度：在程序执行过程中统计在计算机发展的早期，用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度。通常：加、减法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％）（等效　等效指令速度等效指令执行时间niiiniiiniiiWCPICPIMIPSWMIPSTWT111/1)(例2：我国最早研制的小型计算机DJS-130，定点16位，加法每秒50万次，但没有硬件乘法和除法指令,用软件实现乘法和除法，速度低100倍左右。求等效速度。解：定点等效速度为：即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现，等效速度降低了25倍。等效指令速度（）MIPS1/0.800.50.200.5/1000.02MIPS例3：假设在程序中浮点开平方操作FPSQR的比例为2％，它的CPI为100；其他浮点操作FP的比例为23％，它的CPI＝4.0；其余75％指令的CPI＝1.33，计算该处理机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。解：由于改进了仅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍。等效CPI1＝1002％＋423％＋1.3375％＝3.92等效CPI2＝425％＋1.3375％＝2.00指令执行速度的几种平均方法上述2中的指令执行速度又称为算术平均速度上述3中的等效指令执行速度又称为加权平均速度，或调和平均速度几何平均速度：nniiETRG1其中，ETR(executiontimeratio)，n指不同的程序几何平均速度与机器无关，与程序的执行时间无关。4.核心程序法把应用程序中用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。称为基准程序(benchmark)整数测试程序：Dhrystone用C语言编写，100条语句。包括：各种赋值语句，各种数据类型和数据区，各种控制语句，过程调用和参数传送，整数运算和逻辑操作。VAX-11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystones，即：1VAXMIPS＝1757Dhrystones/Second浮点测试程序：Linpack用FORTRAN语言编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作。用MFLOPS（MillionFloatingPointOperationsPerSecond）表示；GFLOPS、TFLOPSWhetstone基准测试程序用FORTRAN语言编写的综合性测试程序，主要包括：浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移、超越函数。测试结果用Kwips表示。SPEC基准测试程序(SystemperformanceevaluationCooperative)由30个左右世界知名计算机大厂商所支持的非盈利的合作组织，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；SPEC能够全面反映机器的性能，具有很高的参考价值；以AX-11/780的测试结果作为基数；SPEC1.01989年10月宣布，程序量超过15万行，包含10个测试程序，4个定点程序，6个浮点程序；测试结果用SPECint’89和SPECfp’89表示。1992年，又增加10个测试程序，共有6个定点程序和14个浮点程序，测试结果用SPECint’92和SPECfp’92表示。1995年，推出SPECint’95和SPECfp’95处理机SPECint’95SPECfp’95PentiumII40018.513.3PentiumII45018.713.7PentiumIII50020.614.7PientiumIII55022.315.6Celeron300A12.09.66Celeron33313.110.20Celeron36614.110.70Celeron40015.111.20Celeron43316.111.60Celeron46617.012.00TPC基准程序TransactionProcessingCouncil（事务处理委员会）成立于1988年，已有40多个成员；用于评测计算机的事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持等方面的性能。1989年10月、1990年8月和1992年7月发表了TPC-A、TPC-B和TPC-C。5、峰值速度峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPSPentiumIII500有3条指令流水线，则其峰值指令速度为：3×500MHz＝1500(MIPS)即每秒15亿次例3：一个由8台机器组成的Cluster系统，每台机器是4个PentiumIII500组成的SMP系统；计算这个Cluster系统的指令峰值速度。解：峰值指令速度：500MHz８４３＝48(GIPS)即每秒480亿次。峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPS1.2.2其他方面的性能1.存储能力寻址空间大小，216、224、232、264、…存储容量，速度，编址单位，编址方式，寻址方式存储系统：LookaheadCacheMainMemoryOnlineStorageOff-lineStorage2.字长1～几百位关键问题：程序与数据共用同一个主存储器早期：由指令字长决定当前：由数据字长决定，8的倍数，如：32位、64位等可变字长：任意组合3.数据类型目前常用：定点、浮点、逻辑已有类型：向量、串、栈、树发展方向：自定义4.指令系统CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机VLIW：超长指令字5.输入输出能力输入输出方式中断系统输入输出接口6.兼容性共分12级：0～11，0级为完全不兼容，11级为自身7.保护和诊断能力程序与数据的保护诊断能力：检错、纠错、冗余、自诊断能力可靠性：RAS技术，可靠性R、可用性A、可维护性1.2.2其他方面的性能1.价格与性能的关系根据摩尔定理：性能每10年提高100倍，但价格基本不变用同样的价格，五年之后能买到性能高十倍的机器2.硬件与软件的价格比例硬件的比例下降，软件的比例上升目前软件价格已经超过硬件价格第一章基本概念1.1计算机系统结构的定义1.2计算机系统的评价标准1.3计算机系统的设计方法1.4计算机系统结构的发展1.5计算机系统的分类1.3计算机系统的设计技术软硬件取舍，软件兼容性设计方法，计算机系统设计过程1.3.1软硬件取舍1.软硬件的关系理论上，有两种极端实现方法全硬件机器，包括操作系统、高级语言、应用程序等硬件只有1位加法和分支操作，其他都用软件实现关键问题：性能与价格的关系，软硬件实现在功能上等效计算机系统结构设计者的主要任务就是要确定软硬件的分界；软件、硬件和固件的功能分配软件与硬件实现的特点硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多发展趋势硬件实现的比例越来越高，硬件所占的成本越来越高发展不可编程目前计算机最少硬件软件硬件软硬件比例七十年代硬件软件成本年代2.从价格因素考虑的软硬件取舍设：硬件设计费为Dh软件设计费为Ds硬件拷贝费为Ch软件拷贝费为CsR为软件重复出现次数（占用内存、占用介质）当台数为V时，每台的硬件费用和软件费用之比为：（）：（）DhVChDsVRCs由于：DhDs，ChCs，有结论1：当R很大时，即经常使用的基本功能适宜用硬件实现由于：DsCs，有结论2：当V很大时，即生产台数很多时适宜用硬件实现另外，还要从处理机速度和国家需要等方面来考虑。