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1、2019/11/7,1,第一章 基本概念,1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类,2019/11/7,2,1.1 计算机系统的层次结构,1.1.1 虚拟机概念 1.1.2 层次结构 1.1.3 透明性概念 1.1.4 计算机系统结构的定义 1.1.5 计算机组成 1.1.6 计算机实现技术,2019/11/7,3,1.1.1虚拟机概念,一、虚拟计算机 从不同角度所看到的计算机系统属性是不同的。 “不同角度”是指观察者不同，主要的包括： 应用程序员 高级语言程序员 汇编语言程序员 系统管理员
2、 硬件设计人员 对计算机系统的认识是需要在某一个层次上。,2019/11/7,4,虚拟计算机系统框架如下所示：,2019/11/7,5,1.1.2 层次结构,一、计算机层次结构 它共分为7个层次，第0级和第1级由硬件实现，第2级至第6级由软件实现，称为虚拟计算机。 从科学领域来划分： 第0级和第1级属于“计算机组成与系统结构”； 第2级至第5级是系统软件； 第6级是应用软件。 它们之间有交叉，如第3级必须依赖第4级和第5级来实现。,2019/11/7,6,二、计算机系统层次结构图,2019/11/7,7,更进一步来看层次结构：,2019/11/7,8,2019/11/7,9,1.1.3 透明性
3、概念,一、透明性定义 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。 例如：CPU类型、型号、主存储器容量等 对应用程序员 透明 对系统程序员、硬件设计人员等 不透明 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 对硬件设计人员、计算机维修人员 不透明,2019/11/7,10,1.1.4 计算机系统结构定义,一、计算机系统结构定义一 Amdahl于己于1964年在推出IBM360系列计算机时提出： 程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 程序员：汇
4、编语言、机器语言、编译程序、操作系统。 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序必须了解到的。,2019/11/7,11,概念性结构(IBM360系列计算机的概念性结构),2019/11/7,12,功能特性（指令系统及执行模式） 数据表示：硬件能够直接认识和处理的数据类型； 寻址方式：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、变址寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； 存储系统：编址单位、编址方式、最大寻址空间等； 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目太等； 输入输出
5、系统：数据交换方式，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。,2019/11/7,13,2.计算机系统结构定义二 研究软硬件功能分配和对软硬界面的确定。 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。即，同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现，但是不同组成只是性能和价格不同，他们的系统结构是相同的。 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。,2019/11/7,14,1.1.5 计算机组成 1.课程名称 Computer Organization 计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理。 2.研究方法 从内部研
6、究计算机系统，计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。 3.主要研究内容 确定数据通路的宽度，确定各种操作对部件共享程度，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。,2019/11/7,15,1.1.6 计算机实现技术,一、计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现。 主要包括： 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，再器件、模块、插件、底板的划分与连接，信号传输技术，电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等。 随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越来越模糊,2019/11/7,16,1.2
7、计算机系统的评价标准 -性能和价格,1.2.1 运算速度 1.2.2 存储器系统 1.2.3 其他性能 1.2.4 价格标准,2019/11/7,17,1.2.1 运算速度,计算机运算速度是表示处理机的主要指标。 它有多种表示处理机运算速度的方法，哪一种表示方法合理？ 1.时钟频率（处理机主频） 只能用于同一公司、同一类型的处理机 如Pentium4 2.0G 比Pentium4 1.6G快25%？ 如Pentium4 2.4G 比Pentium4 1.6G快50%？ 这只表示CPU的指令处理能力。 实际运行速度与Cache、内存大小、IO、程序等均有关。,2019/11/7,18,2.指令执
8、行速度 一种经典的表示运算速度方法。 MIPS（Million Instrutions Per Second)、GIPS、TIPS 其中：Fz为处理机工作主频 CPI（Cycles Per Instruction)为 每条指令所需的平均时钟周期数； IPC（Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数； 例1：计算PentiumIV 2.0G 的指令执行速度。,2019/11/7,19,解：由于PentiumIV 2.0G 处理机的 IPC=4（或CPI=0.25), Fz=2000MHz, 因此，MIPS PentiumIV2.0G =Fz*IPC=2000
9、*4 =8000MIPS=8GIPS 即每秒钟80亿次。 主要优点：直观、方便。目前还经常使用这种方法。 主要缺点： （1）不同指令的执行速度差别很大； （2）指令使用频率差别很大； （3）有相当的非功能性指令。,2019/11/7,20,3.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：在程序执行过程统计 在早期，经常用加法指令的执行速度来表示计算机的运算速度。与实际运算速度相差很大。 Gibson法：加减法50%，乘法15%，除法5%，程序控制15%，其它15%。,2019/11/7,21,例2：我
10、国早期开发研制一种小型计算机DJS-130，定点16位，加法指令每秒50万次，但没有硬件乘除法指令。用软件实现乘除法，速度低100倍左右，求等效指令速度。 解：等效指令速度为： 即每秒2万次，由于用软件实现乘除法，等效指令速度降低了25倍。,2019/11/7,22,例3：假设在一般程序中浮点开平方操作FPSQR所占的比例为2%，它的CPI为100；其他浮点操作FP所占的比例为23%，它的CPI=4.0;其余75%指令的CPI=1.33,计算该处理器的等效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
11、 等效CPI2=4*25%+1.33*75%=2.00 由于改进了在一般程序钟仅占2%的FPSQF操作的CPI，就能够使整个机器的等效运算速度提高近一倍。,2019/11/7,23,4.指令执行速度的几种的平均方法 算术平均速度，上述2中的指令执行速度， 加权平均速度，上述3中的等效指令执行速度， 几何平均速度： 其中：n指不同的程序， EPRi（execution time ratio),是第i个程序相对于参考机器正交化后的执行时间. 几何平均速度与机器无关，与程序的执行时间无关:,2019/11/7,24,5.核心程序法 把应用程序中使用中使用最频的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程
12、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，数据类型和数据区，控制语句，过程调用和参数传送，整数运算和逻辑操作等。如：VAX11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystone， 即：1VAX MIPS=1757 Dhrystone/Second 浮点测试程序：linpack 用FORTAN编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作，用MFLOPS（Million Floating Point Operation Per Second）表示，GFLOPS、TFLOPS,2019/11/7,25,（1）运行程序P1时，A
13、的速度是B的10倍，A的速度是C的20倍，B的速度是C的2倍； （2）运行程序P2时，B的速度是A的10倍，C的速度是A的20倍，C的速度是B的5倍； （3）对程序P1和P2而言，B的速度是A的9倍，C的速度是A的25倍，C的速度是B的2.75倍。,2019/11/7,26,SPEC基准程序System Perfomance Evaluation Cooperative 该组织成立于1988年，是由斯坦福大学、清华大学、微软、等全球几十所知名大学、研究机构、IT企业组成的第三方测试组织。SPEC经过多年的发展积累，测试标准得到了全球众多用户的广泛认可。包括：IBM、 HP、 Intel、 SU
14、N、 Compaq、 AT&T、BULL、CDC、DG、DEC、Fujitsu、MIPS、Motolola、SGI、Unisys等。 1989年10月宣布SPEC 1.0,程序量超过15万行，包含4个定点程序和6个浮点程序，测试结果用SPECint89和SPECfp89表示。 1992年增加到6个定点程序和14个浮点程序，测试结果用SPECint89和SPECfp89表示。 1995年推出SPECint95和SPECfp95。 2000年推出SPEC2000，12个定点程序、14个浮点程序。,2019/11/7,2010年11月 TOP500 计算机排名前100名： RankSiteCompu
15、ter/Year VendorCoresRmaxRpeakPower1National Supercomputing Center in Tianjin ChinaTianhe-1A - NUDT TH MPP, X5670 2.93Ghz 6C, NVIDIA GPU, FT-1000 8C / 2010 NUDT1863682566.004701.004040.002DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory United StatesJaguar - Cray XT5-HE Opteron 6-core 2.6 GHz/ 2009 Cray Inc.2241
16、621759.002331.006950.603National Supercomputing Centre in Shenzhen (NSCS) ChinaNebulae - Dawning TC3600 Blade, Intel X5650, NVidia Tesla C2050 GPU / 2010 Dawning1206401271.002984.302580.004GSIC Center, Tokyo Institute of Technology JapanTSUBAME 2.0 - HP ProLiant SL390s G7 Xeon 6C X5670, Nvidia GPU, Linux/Windows / 2010 NEC/HP732781192.002287.631398.615DOE/SC/LBNL/NERSC United StatesHopper - Cray XE6 12-core 2.1 GHz / 2010 Cray Inc.153
