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1、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：Pentium/450 比 Pentium/300快50， 2. 指令执行速度 一种很经典的表示方法 MIPS (Million Instructions Per Second), KIPS, GIPS, TIPS,其中，Fz为处理机的
2、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Pentium II 450处理机的运算速度。 解：由于PentiumII 450处理机的IPC2 (或CPI0.5), Fz450MHz，因此， MIPSPentium II 450FzIPC4502900(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
3、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,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。,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CPI1.3
4、3，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CPI110024231.33753.92 等效CPI24251.33752.00,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：,其中，ETR(execution time ratio)，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
5、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：1VAX MIPS1757 Dhrystones/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（Million Floating Point Operations Per Second）表示；GFLOPS、TFLOPS Whetstone基准测
6、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 (System performance evaluation Cooperative) 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；,SPEC1.0
7、 1989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SPECint89和SPECfp89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SPECint92和SPECfp92表示。 1995年，推出SPECint95和SPECfp95,处理机SPECint95SPECfp95 PentiumII 40018.513.3 PentiumII 45018.713.7 PentiumIII 50020.614.7 PientiumIII 55022.315.6 Celeron 300A12.09.66 Celer
8、on 33313.110.20 Celeron 36614.110.70 Celeron 40015.111.20 Celeron 43316.111.60 Celeron 46617.012.00,TPC基准程序 Transaction Processing Council（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、TIPS Pentium III 500有3条指令流水线
9、，则其峰值指令速度为： 3500MHz1500 (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PentiumIII 500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 48(GIPS)即每秒480亿次。 峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPS 1.2. 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 Main Memory Online Storage Off-line St
10、orage 2. 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：011，0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
11、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
12、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,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：,由于：Dh Ds，Ch Cs，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：Ds Cs，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。,
