计算机基础学习指导

计算机系统结构网络学习资料编者文军电子科技大学1第1章计算机系统结构的基本概念授课内容：本章主要论述计算机系统结构的概念以及系统结构和并行性的发展，将引导读者进入计算机系统结构这么一个新的领域。首先，在计算机系统层次结构概念的基础上，讲述了经典计算机体系结构概念，并进一步讨论了计算机组成和计算机实现技术，在此基础上，我们可以更好地理解现代计算机体系结构所研究的范围和内容。1.1引言计算机系统结构作为一门学科，主要是研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成。1.2计算机系统结构的概念计算机系统由硬件／器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。计算机系统结构是计算机系统的软硬件的界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。依据不同的标准，计算机系统结构分类的分类有多种，例如Flynn分类法，它是按照指令流和数据流的不同组织方式，将计算机系统结构分为以下四类：SISD、SIMD、MISD、MIMD。1.3定量分析技术计算机系统设计常用的三个定量原理：加快经常性事件的执行速度(Makethecommoncasefast)，Amdahl定律，访问的局部性原理。计算机系统的性能评测有不同的方式。1.4计算机系统结构的发展冯.诺依曼结构的特征有五点，其中结构的核心是运算器。软件发展、器件发展、应用对系统结构的影响，系统结构的生命周期。1.5计算机系统结构中并行性的发展并行性是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。从执行程度的角度和处理数据的角度，并行性的等级划分是不同的。提高并行性的技术途径有时间重叠、资源重复、资源共享三种。单机、多机系统中并行性的发展。目的要求：1.掌握计算机系统的多级层次结构。2.掌握计算机系统结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。3.理解透明性、虚拟机的概念。4.理解系列机和软件兼容的基本思想。5.了解对于通用寄存器型机器来说，机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的主要属性。6.掌握计算机体系结构设计的三个基本原则。7.熟练应用Amdahl定律和CPU性能公式求解问题。8.知道估评计算机性能的测试程序。9.了解计算机性能的若干定义。10.掌握存储程序计算机体系结构的主要特征，了解从五个方面对其所作的改进。11.掌握并行性的概念。12.了解从执行程序的角度和处理数据的角度来看，并行性等级的划分。13.掌握计算机系统中提高并行性的三种技术途径（时间重叠、资源重复、资源共享）14.了解单机系统和多机系统中并行性的发展。2重点：1．计算机系统的多级层次结构；2．系列机和虚拟机的概念；3．计算机体系结构设计的三个基本原则。4．系统设计的定量原理的应用。5．计算机系统中提高并行性的三种技术途径（时间重叠、资源重复、资源共享）难点：1.计算机系统设计定量原理的应用；2.计算机系统性能进行评测。3.计算机系统中提高并行性的三种技术途径（时间重叠、资源重复、资源共享）学习方法指导：学习时，一定要从宏观上把握计算机系统结构所涉及的领域。通过本章学习，要弄清计算机系统结构的基本概念，掌握计算机系统结构的基本分析方法的基本设计方法，建立计算机系统的完整概念，为后续的学习打下良好的基础。作业：1.解释下列术语：CPI翻译解释体系结构透明性系列机软件兼容兼容机计算机组成计算机实现并行性时间重迭资源重复资源共享同构型多处理机异构型多处理机紧密耦合响应时间测试程序大概率事件优先系统加速比Amdahl定律程序的局部性原理答案：1.CPI——指令时钟数（CyclesperInstruction）。2.翻译——（基于层次结构）先把N+1级程序全部变换成N级程序之后，再去执行N级程序，在执行过程中，N+1级程序不再被访问。3.解释——每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级指令，依此重复执行。4.体系结构——程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。5.透明性——在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。6.系列机——在一个厂家生产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。7.软件兼容——同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行的时间不同。8.兼容机——不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。9.计算机组成——计算机体系结构的逻辑实现。10.计算机实现——计算机组成的物理实现。11.存储程序计算机（冯·诺依曼结构）——采用存储程序原理，将程序和数据存放在同一存储器中。指令在存储器中按其执行顺序存储，由指令计数器指明每条指令所在的单元地址。312.并行性——在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。13.时间重叠——在并行性中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。14.资源重复——在并行性中引入时间因素，是根据“以数量取胜”的原则，通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。15.资源共享——是一种软件方法，它使多个任务按一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备.16.同构型多处理机——由多个同种类型、至少同等功能的处理机组成、同时处理同一作业中能并行执行的多个任务的机器。17.异构型多处理机——由多个不同类型、功能不同的处理机组成、串行完成同一作业中不同任务的机器。18.最低耦合——是耦合度最低的系统，除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接、也无共享的联机硬件资源。19.松散耦合——一般是通过通道或通信线路实现计算机之间连接、共享某些外围设备（例如磁盘、磁带），机器间的相互作用是在文件或数据集一级进行。20.紧密耦合——一般是指机间物理连接的频带较高，它们往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。21.响应时间——从事件开始到结束之间的时间，也称执行时间。22.测试程序——用于测试计算机性能的程序，可分为四类：真实程序、核心程序、小测试程序、合成测试程序。23.测试程序组件——选择一个各个方面有代表性的测试程序，组成一个通用的测试程序集合。这个通用的测试程序集合称为测试程序组件。24.大概率事件优先——此原则是计算机体系结构中最重要和最常用的原则。对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。25.系统加速比——系统改进前与改进后总执行时间之比。26.Amdahl定律——加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中的所占的重要性。27.程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。2.传统的存储程序计算机的主要特征是什么？存在的主要问题是什么？我们目前的计算机系统是如何改进的？存储程序计算机在体系结构上的主要特点:(1)机器以运算器为中心。(2)采用存储程序原理。程序(指令)和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。指令和数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序自身是可以修改的。(3)存储器是按地址访问的、线性编址的空间。(4)控制流由指令流产生。(5)指令由操作码和地址码组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和操作结果的地址。(6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算。传统存储程序计算机体系结构存在的主要问题及其改进:（1）分布的I/O处理能力存储程序计算机以运算器为中心、所有部件的操作都由控制器集中控制，这一特点带来了慢4速输入输出操作占用快速运算器的矛盾。为了克服这一缺点，人们先后提出各种输入/输出方式。（2）保护的存储器空间把指令和数据放在同一存储器中有优缺点。现在绝大多数计算机都规定：在执行过程中不准修改程序。（3）存储器组织结构的发展按地址访问的存储器具有结构简单、价格便宜、存取速度快等优点。但是在数据处理时，往往要求查找具有某种内容特点的信息。但由于访问存储器的次数较多而影响计算机系统的性能。采用了通用寄存器的概念、设置高速缓冲存储器Cache、构成了以相联存储器为核心的相联处理机。（4）并行处理技术传统的存储程序计算机解题算法是顺序型的，即使问题本身可以并行处理，由于程序的执行受程序计数器控制，故只能是串行、顺序地执行。如何挖掘传统机器中的并行性？改进CPU的组成；在体系结构上使本来可以并行计算的题目能并行计算；多机并行处理系统。（5）指令集的发展计算机系统指令的种类愈来愈多，这种计算机称为复杂指令集计算机CISC。日趋庞杂的指令集不但不容易实现，而且还可能降低计算机系统的性能。把指令集设计成只包含那些使用频率高的少量指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。按照这个原则而构成的计算机称为精简指令集计算机RISC。3．按照Amdahl定律，假设将某系统的某一部件的处理速度加快到原来的5倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的20%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高到原来的（）倍。A、1/0.36B、1/0.24C、1/0.45D、1/0.84答案：D4.如果某一个计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快10倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者关系的曲线，并回答加速比为2和5时，可向量化百分比分别为多少。答案：设可向量化百分比为x，加速比为y，根据Amdahl定律，有xxxy9.0111011则：9.0)11(yxy=2时，x=%6.5595；y=5时，x=%9.88985参考书目：1．《计算机系统结构》张晨曦主编，高等教育出版社；2008年6月；2．《计算机系统结构》郑纬民主编，清华大学出版社；本章典型例题分析：【例1-1】用一台433MHz的处理器执行标准测试程序，它包含的各类指令和相应的时钟周期数如下表，求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。指令类型指令数时钟周期数整数运算500001数据传送350002浮点运算120002控制传送70002分析如下：解：niICIiCPIiCPI1)*(=(50000*1+35000*2+12000*2+7000*2)/(50000+35000+12000+7000)=1.52周期/指令)10*/(6CPIfMIPS=MIPS285)10*52.1/(10*43366执行时间t=(50000*1+35000*2+12000*2+7000*2)/(433*610)=3.649*s310【例1-2】假定要将某一执行部件改进后速度提高10倍，改进后被改进部件执行时间占系统总运行时间的50％。问改进后，获得的加速比pS是多少？分析如下：假设系统在改进前后的执行时间分别为1T和2T，则SeFeFeTTSp/)1(121（1）由（1）式，得12*]/)1[(TSeFeFeT（2）由题意10*%5012TFeT（3）（2）-（3），得12*)1(%50TFeT（4）612*2*10TTFe（5）由（4）（5）可得5.521TTSp【例1-3】计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下：部件1加速比S1=30；部件2加速比S2=20；部件3加速比S3=10；（1）如果部件1和部件2的可改进比例为30％，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统的加速比才可以达到10？（2）如果三个部件的可改进比例为30％、30％和20％，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？分析如下：（1）多个部件可改进情况下Amdahl定理的扩展iiSiFiFiS)1(1其中，Fi为可加速部件I在未优化系统中所占的比例，Si是部件I的加速比。1}332211)]321(1{[SFSFS