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1、第1章 导论,计算机系统结构,计算机系统结构 胡世昌 办公室：软件楼510 E-mail:hoosy, 目标： 理解计算机系统结构的基本原理、技术、及一些最新研究成果 掌握计算机系统结构的理论基础和基本研究与实践能力 方式： 课堂讲授 课堂讨论 综合练习 文献阅读 考查： 迟到+出席课堂提问(30%) 课堂笔记习题测验(70%) 三次缺席没有成绩,本课程对学生的要求（选修）, 目标： 理解计算机系统结构的基本原理、技术、及一些最新研究成果 掌握计算机系统结构的理论基础和基本研究与实践能力 方式： 课堂讲授 课堂讨论 综合练习 文献阅读 考试： 迟到+出席课堂笔记与作业 + 课堂提问(20%)
2、期中考试(30%) 期末考试(50%) 三次缺席没有成绩,本课程对学生的要求（必修）,教材：计算机系统结构教程 尹朝庆主编 清华大学出版社 参考书：计算机系统结构（第二版） 郑纬民等 清华大学出版社,参考用书,本课程在教学安排中的地位,计算机基础,操作系统,编译技术,计算机系统结构 人员必须具有宽 厚的专业知识,数字逻辑,数据结构 应用基础 编程语言,存储管理 调度 并发,代码生成 优化,基本逻辑单元 处理器基础知识,计算机系统结构,计算机组成,计算机实现, 导论 指令系统 流水技术与流水处理机 存储系统 互连网络 SIMD计算机 MIMD计算机,讲授内容,第1章 导论,教学目的与要求： 【了
3、解】：并行性定义，Flynn分类方法，系统耦合度 【理解】：多层次结构，透明性，并行性含义与途径 【掌握】：计算机系统结构、计算机组成和计算机实现的定义以及三者直接的区别与联系；软件移植的主要技术；CPI和加速比S的计算方法；Amdahl定律,第1章 导论,教学目的与要求： 【重点】：Amdahl定律 【难点】：应用Amdahl定律进行定量分析与计算；透明性的分析与判断,第1章 导论,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得益于两个方面 计算机制造技术的发展（器件技术） 计算机系统结构的创新（并行性） 经历了4个发展过程,第1章 导论,引言,第1章 导论,引言 功耗问
4、题（已经很大）。 可以进一步有效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。,第1章 导论,引言 系统结构的重大转折： 从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。 计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。,第1章 导论,进程：正在运行程序的一个抽象，任务是资源分组； 线程：在CPU上执行的脉络，任务是执行； 多线程：能够同时执行程序的不同部分。处理非密集型任务时，可提高性能。 流水线（Pipeline）是将一任务的执行分成多个步骤，不同任务的不同步骤可重叠执行 超线程（Hyper-threading）是将流水线理念更进一步，试图再在空间上充分利用每个单元的每个部
5、分。 多核（MultiCore）的发展是处理器并行的归宿，也是真正意义上的可持续发展的CPU并行处理方向。,软 件,硬 件,第1章 导论,1.1 计算机系统结构的基本概念 计算机系统的层次结构 计算机系统并行性的基本概念 1.2 计算机性能评测 计算机性能评测的作用与分级 计算机的基本性能指标 1.3 并行计算机的发展 支持并行计算机的技术进展 并行结构的发展,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1.1 计算机系统的层次结构,1.1 计算机系统结构的基本概念,动画,软件,硬件或固件,1.1 计算机系统结构的基本概念,软件、硬件在逻辑上是等效的：软件可硬化、硬件可软化。 如（1）乘除法 （2）
6、向量数组,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1.2计算机系统结构的定义 1.IBM观点：主要是指计算机的外貌，也称为外特性。（1962，Buchholz ） 从机器语言程序员所看到的计算机系统属性，即概念性结构和功能性结构。（1964，Amdahl） 2.MIT观点：设计者主要关心的是成本-性能，支持不同软件时系统的性能和效率（2002，Asanovic，Devadas）,1.1 计算机系统结构的基本概念,3.计算机系统结构经典定义： 机器语言程序员所看到的计算机系统属性，即概念性结构和功能性结构。 程序员：汇编语言、机器语言、高级语言 看到的：编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解的
7、东西 概念性结构：软、硬件功能分配（考虑性价比、速度等因素） 功能性结构：软、硬件界面确定（就是指令系统） 计算机系统结构概念的实质： 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。,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1 计算机系统结构的基本概念,4.透明性： 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 如编译程序对用户是透明的，cache对程序员是透明的。 1.1.3 计算机组成和计算机实现 1.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
8、部件的功能以及各部件之间的联系。,1.1 计算机系统结构的基本概念,2.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。 3.计算机系统结构、组成、实现区别 一种体系结构可以有多种组成。 一种组成可以有多种物理实现。 系统结构强调整体设计，组成强调逻辑（没真正实现），实现强调具体实现（真正实现） 举例说明：,1.1 计算机系统结构的基本概念,举例说明： （1）指令系统 结构：确定指令系统，要什么样的指令系统 组成：逻辑实现，如取指、译码、
9、计算操作数地址、取数、运算送结果的操作安排、排序、预取技术 实现：各个指令实现的具体电路设计、组装等 （2）乘法指令 结构：是否设置乘法指令 组成：用高速乘法器实现，还是用加法器、移位器实现 实现：物理实现，选择器件类型、集成度、数量、组装技术,1.1 计算机系统结构的基本概念,计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。,1.1 结构设计要解决好软件的可移植性,1.1.4软件的可移植性 定义：是指软件不用修改或只需要少量
10、修改就可在另一台机器上运行，使得同一个软件可以应用于不同的硬件环境中。 实现途径: (3种) 1.统一高级语言：理想方法；较难实现 2.系列机：系列机定义：是指具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现技术的一系列不同型号的机器 设计系列机：在软硬件界面上定好一种系统结构，其后，软件硬件分别设计。（研究折衷结构的实现方法） 软件兼容：软件及编译程序可以不加修改地运行于结构相同的各档机器上，而且运行结果一致。 按档次分：向上兼容：软件及编译程序不加修改就能运行于比它高档的机器上。 向下兼容：软件及编译程序不加修改就能运行于比它低档的机器上。 按时间分：向前兼容：前指以前的机器 向后兼容：后指以后
11、的机器 系列机的软件兼容要求：向上兼容 向后兼容（根本特征） 动画,1.1 结构设计要解决好软件的可移植性,1.1 结构设计要解决好软件的可移植性,实现途径： 3.模拟与仿真 模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法。模拟机器为宿主机，被模拟的原机器为虚拟机 仿真：用微指令解释另一机器的指令系统 二者区别：在于解释所用的语言不同 即：模拟是用机器语言程序解释指令，其解释程序存储在主存中；仿真是用微程序解释指令，其解释程序存储在控制存储器中。,1.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内 进行多种运算或操作。 只要在时间上相互重叠，就存在并行性。 同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发
12、生。 并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔 内发生。,1.1.5 并行性的概念,1.1 计算机并行性的基本概念,2.从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。 最基本的串行处理方式，不存在并行性。 字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不 同字之间是串行的。 开始出现并行性。 字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片） 进行处理。 具有较高的并行性。 全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。 最高一级的并行。,1.1 计算机并行性的基本概念,3.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行：单条指令中各微操作之间的
13、并行。 指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。 线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。 通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上 的过程或任务（程序段） 以子程序或进程为调度单元。 作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的 作业或程序。,1.1 计算机并行性的基本概念,三种途径： 动画 1.时间重叠 引入时间因素，让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。 2.资源重复 引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置 硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。 3.资源共享 这是一种软件
14、方法，它使多个任务按一定时 间顺序轮流使用同一套硬件设备。,1.1.6 提高并行性的技术途径,1.1 计算机并行性的基本概念,1.1并行处理系统的结构和多机系统的耦合度,1.计算机系统结构向并行处理系统方向发展，发展成多机系统 并行处理计算机按结构特性分为： 动画 流水线计算机：空间重叠，多个部件在时间上交 错进行处理，时间并行 控制驱动 阵列处理机：资源重复，空间并行 多处理机：资源共享，统一的操作系统控制 数据驱动数据流计算机：如ASIC电路，脉动阵列等 变件（Morphware）-构件流计算机：如PLD,FPGA,1.1并行处理系统的结构和多机系统的耦合度,数据驱动控制方式，与上面的控制
15、驱动方式不同，它的指令不是在控制下顺序执行的，当且仅当指令所需要的数据可用时，指令就可执行，即任何指令只要它所需要的操作数全部齐备且可用时，这些指令就可以同时执行，不需要程序计数器。可见指令的执行不受其他控制条件的约束。这种方式中，不使用变量，不存在数据共享等。数据驱动的原理形成了两个优点：指令的执行是无序的，完全受数据流的驱动，与指令在程序中出现的先后顺序无关。直接支持函数语言，有利于开发程序中各级的并行性，而且有利于改善软件环境，缩短软件的研制时间。,1.1并行处理系统的结构和多机系统的耦合度,1.1并行处理系统的结构和多机系统的耦合度,2.在多机系统中引入耦合度概念 动画 耦合度：多机系
16、统中各机间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱 种类：最低耦合：脱机处理系统，无物理连接，无共享联机硬件 松散耦合：多台计算机通过通道或通信线路实现互连，共享某些设备 紧密耦合：处理机之间通过高速总线或开关网 络互联，共享主存,1.1计算机系统结构的分类,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。 多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执 行阶段的指令或数据的最大数目。 Flynn分类法把计算机系统的结构分为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(MIMD) 4类计算机的基本结构 IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流， CU
