计算机系统结构第1章剖析

计算机系统结构计算机系统结构ComputerArchitecture计算机系统结构•研究内容从外部来研究计算机系统使用者所看到的物理计算机的抽象编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机属性•学习目的建立计算机系统的完整概念学习计算机系统的分析方法和设计方法了解计算机系统的最新研究成果计算机系统结构第一章基本概念介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和定量知识两大内容。定性知识：本课程经常使用的一些名词概念，以及对计算机的定性认识、分析方法。定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。计算机系统结构计算机发展的五个阶段•1、1945－1954：电子管、继电器，定点运算、机器/汇编语言•2、1955－1964：分立式晶体管、铁磁心存储器、单层PCB，变址寄存器，浮点运算，高级语言＋批处理监控；•3、1965－1974：SSI、MSI，多层PCB，微程序控制，Cache，多道程序并行，分时OS，IBM360/370；•4、1975－1990：LSI、VLSI，半导体存储器，并行处理，分布处理；•5、1991～：VLSI，ULSI，大规模并行处理计算机系统结构推动计算机性能提高的两个关键因素:•组成器件：电子管－晶体管－集成电路•系统结构的改进计算机系统结构第一台电子计算机：ENIAC计算机系统结构ENIAC的总成本为48万6千8百美元。它是一个有18000多只电子管，7200只晶体二极管，10000多只电容，7000多只电阻，5万多个焊点，长30.48米，宽1米，占地面积约170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，消耗功率150kW。计算机系统结构透视计算机的心脏——CPUIntel的第一块CPU—40044004,Intel最早的CPU，集成有2，250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米（即10000纳米），主频0.74MHz。计算机系统结构第6级：应用程序第5级：高级语言第4级：汇编语言第3级：操作系统第2级：机器语言第1级：微程序第0级：硬联逻辑应用软件系统软件硬件软硬件分界1.1.1计算机系统的多级层次模型1.1计算机系统结构计算机系统结构应用语言第6级应用程序应用程序信息处理系统用户高级语言第5级高级语言解释程序编译程序可执行程序高级语言程序员汇编语言第4级汇编语言汇编程序可执行程序汇编语言程序员系统原语键盘命令第3级操作系统操作系统系统资源系统操作员计算机系统结构指令系统第2级机器语言中央处理机目标程序机器语言程序员指令时序第1级微程序控制微程序控制寄存器逻辑逻辑设计员操作时序第0级硬联逻辑硬联逻辑逻辑线路硬件设计员计算机系统结构1.1.2计算机系统结构定义计算机＝软件＋硬件两种定义：定义1：Amdahl于1964年提出：程序员所看到的计算机系统属性，即概念性结构和功能特性看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的。计算机系统结构主存储器主存控制器ＣＰＵＩＯＰＩＯＰ打印机磁盘机卡片机磁带机终端概念结构IOP：IO控制器计算机系统结构功能特性：指令系统及其执行模式•数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；•寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等；•寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；•指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制；计算机系统结构•中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；•存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等；•输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等；•信息保护:信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。计算机系统结构透明性概念本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在例如：浮点数表示、乘法指令对高级语言程序员、应用程序员透明对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明例如：数据总线宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员透明对硬件设计者、计算机维修人员不透明透明度越高，编程越简单，执行效率降低透明度越低，编程越复杂，执行效率提高计算机系统结构定义2：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定•计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。•同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。系列计算机概念：相同系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统。计算机系统结构1.1.3计算机组成计算机组成指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：•确定数据通路的宽度•确定各种操作对功能部件的共享程度•确定专用的功能部件•确定功能部件的并行度•设计缓冲和排队策略•设计控制机构•确定采用何种可靠性技术计算机系统结构1.1.4计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：•处理机、主存储器等部件的物理结构•器件的集成度和速度•专用器件的设计•器件、模块、插件、底版的划分与连接•信号传输技术•电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等计算机系统结构计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的关系：•系统结构－组成－实现，组成和实现的改进推动系统结构的进步；•随着技术、器件和应用的发展，三者间界限越来越模糊。计算机系统结构计算机组成计算机实现计算机系统结构1.2.1性能评测的常用方法1.2.2其他性能1.2.3价格标准1.2计算机系统的评价标准计算机系统结构1.2.1性能评测的常用方法以运算速度为主1、时钟频率（主频）：如：只表示CPU的指令处理能力实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序等均有关计算机系统结构2、指令执行速度一种经典的表示运算速度的方法MIPS（MillionInstructionsPerSecond）以及KIPS、GIPS、TIPS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为每个时钟周期平均执行的指令条数FzIPCCPIFz10MIPS6执行时间指令条数MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS计算机系统结构例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（1）不同指令的速度差别很大（2）指令使用频度差别很大MIPS9004502FzIPCMIPS450PentiumII主要优点：直观、方便。目前还经常使用主要缺点:计算机系统结构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niiiniiiniiiWCPICPIMIPSWMIPSTWT1111)(计算机系统结构例2：我国最早研制的小型计算机DJS-130，定点16位，加法速度每秒50万次，但没有硬件乘法和除法等指令。用软件实现乘法和除法，速度降低100倍左右，求定点等效速度。解：•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。MIPS0.02100/0.50.200.50.80/1MIPS）（等效指令速度计算机系统结构例3：如果浮点开平方操作FPSQR的比例为2%，CPI为100，其他浮点操作的比例为23%，CPI＝4.0，其余指令的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：等效CPI1＝1002％＋423％＋1.3375％＝3.92等效CPI2＝425％＋1.3375％＝2.00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计算机系统结构4、数据处理速率PDR（processingdatarate）PDR＝L/R其中：L＝0.85G＋0.15H＋0.4J＋0.15K；R＝0.85M＋0.09N＋0.06P其中：G是每条定点指令的位数M是平均定点加法时间H是每条浮点指令的位数N是平均浮点加法时间J是定点操作数的位数P是平均浮点乘法时间K是浮点操作数的位数计算机系统结构5、核心程序法把应用程序中用的最频繁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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、TFLOPSWhetstone基准测试程序计算机系统结构6、基准测试程序套件（SPEC基准程序）SPEC：SystemperformanceevaluationCooperative目前使用最为广泛、最具权威性的测试规矩个世界知名计算机大厂商所支持的非盈利合作组织，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；计算机系统结构1.2.2其他性能1．存储能力存储容量，速度，编址单位，编址方式，寻址方式2．字长关键问题：指令字长与数据字长的协调原因：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：任意组合计算机系统结构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：自定义数据表示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(VeryLongInstructionWord)计算机系统结构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S计算机系统结构1.2.3价格标准1．价格与性能的关系：摩尔定理：每隔3年芯片的集成度翻两翻用同样的价格，五年之后能买到性能高十倍的机器计算机系统每年的折旧率为75％左右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计算机系统结构微电子发展的神奇规律——Moore’sLaw成本硬件软件年代70年代软件所占的成本越来越高计算机系统结构1.3计算机系统的设计技术1.3.1几个定量原理1.3.2软硬件取舍1.3.3软件兼容性1.3.4计算机系统设计方法计算机系统结构1、Amdahl定律（加快经常性事件原理）其中：Sn──全局加速比；To──原执行时间（old）；Tn──新执行时间（new）；Se──被改进部分的局部加速比；Fe──被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。eeenonSFFTTS)1(11.3.1几个定量原理性能改善的极限值受Fe值限制。计算机系统结构•例4：假设将某一部件的处理速度加快到10倍，该部件的原处理时间为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？Sn10604101064156....解：由题意可知：Fe=0.4,Se=10，根据Amdahl定律，计算机系统结构2、CPI与程序执行时间TeCPI是衡量CPU执行指令效率的重要指标。的加权平均值。为所有，它表明）（或者写为）（的关系与一式，可以得到比较上面第一式与最后写另一方面，我们又可以，iniiiniiiniiiniiiniieniiiiieCPICPICPIICICCPICPIICCPIICCYCLECPIICCYCLECPIICTTICICfCYCLECYCLECPIICTCYCLECPIICTCPICPI)()(1