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1、计算机系统结构计算机系统结构主讲：华中科技大学计算机学院林安主讲：华中科技大学计算机学院林安2001.9.11计算机系统结构教学计划 教材： 计算机系统结构（第二版） 郑纬民等 清华大学出版社 参考书： 计算机系统结构 复习与考试指导 郑纬民等 高等教育出版社总学时：40 第1章：4 第2章：4 第3章：10 第4章：4 第5章：6 第6章：2 第7章：6 第8章：2 第9、10章：22001.9.12计算机系统结构第一章 基本概念（P1）本章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 识两大组内容。为了便于学习，本章各节重新编号，与教材编号不同。定性知识：本课程经常使用的一些名词
2、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。2001.9.13计算机系统结构1.1 定性知识几个基本概念1.1.1 什么是计算机系统结构？（P4）英文名称：Computer Architectrue计算机系统结构（也叫“计算机体系结构”）课程：传授计算机整机（ 硬软件统一条件下）设计的重大技术知识。Architectrue的英文原义是“建筑学”。“计算机系统结构”作为事物名称：使用者必须了解的机器外部特性知 识（广义定义）。在本课程中“使用者”目前特指最低级语言的程序员，“外 部特性”特指整个硬件的外部特性（狭义定义）。透明性概念：使用者可以不了
3、解的知识。2001.9.14计算机系统结构“计算机系统结构”狭义定义包含的内容（P4）1.数据表示（硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等）；2.寻址方式（包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算等）；3.寄存器组织（包括各种寄存器的配置数目和功能定义）；4.指令系统（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控制机构等） ；5.存储系统（包括编址方式、存储容量、最大编址空间等）；6.中断机构（中断源的分类管理和中断服务功能设计）；7.机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换；8.输入/输出子系统结构与管理；9.信息保护手段及其实现。2001.9.15计算机系统结构1.1.2
4、 计算机系统的多级层次模型（P3）第5级 专用应用语言机器 特定应用用户 （使用特定应用语言）（经应用程序翻译成高级语言） 第4级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言）（经编译程序翻译成汇编语言） 第3级 汇编语言机器 汇编语言程序员（使用汇编语言）（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语） 第2级 操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）（经原语解释子程序翻译成机器语言） 第1级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）（由微程序解释成微指令序列） 第0级 微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）（由硬件译码器解释成控制信号序列）图1.1 计
5、算机系统的多级层次模型2001.9.16计算机系统结构1.1.3 其他重要名词概念（自学）计算机组成计算机系统结构的逻辑实现。（P5） 计算机实现计算机组成的物理实现。 （P5）计算机系统设计的3种主要方法：“由下往上”、“由上往下”、“由中 间开始”。（P14）系列机 （P23） 兼容性 （P24）模拟 （P24） 仿真 （P24）虚拟机 （P24） 宿主机 （P24）并行性 求解一个问题的若干操作在时间安排上的可重叠性。2001.9.17计算机系统结构1.1.4 冯.诺依曼（Von Neumann）型机器的特点（P22）传统计算机又称为冯.诺依曼型机器，它由运算器、控制器、存储器、输 入设
6、备和输出设备5部分组成，并具有如下特点：1.以运算器为数据流动中枢，以控制器为控制命令中枢；2.存储程序并且执行，程序象数据一样可以修改；3.存储器按地址访问，线性顺序编址；4.程序顺序执行；5.指令由操作码与操作数两部分组成；6.数据用二进制编码；7.机器由硬件与软件组成，硬件功能不能改变。2001.9.18计算机系统结构1.1.5 现代计算机系统的分类（Flynn分类法，P6）按照指令流和数据流的多倍性状况把计算机分为：1.单指令流单数据流（SISD-Single Instruction Stream Single Data Stream）2.单指令流多数据流（SIMD-Single In
7、struction Stream Multiple Data Stream）3.多指令流单数据流（MISD-Multiple Instruction Stream Single Data Stream）4.多指令流多数据流（MIMD-Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream）例题：P32，题7，题8 ，题9 。2001.9.19计算机系统结构1.2 定量知识3个性能公式1.2.1 Amdahl定律（加快经常性事件原理，P9）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
8、被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。2001.9.110计算机系统结构Amdahl定律的推导2001.9.111计算机系统结构Amdahl定律的图形从图1.2可以看出，增大Se和Fe对Sn都有提升作用；但当Fe固定时 ，一味增大Se对Sn的作用会越来越不显著。2001.9.112计算机系统结构1.2.2 CPI与程序执行时间Te（P11）CPI是衡量CPU执行指令效率的重要指标。让我们先考虑一个标准测 速程序的全部执行时间Te和其中所有第i种指令的累计时间Ti，易知2001.9.113计算机系统结构1.2.3 每秒百万指令数MIPS与每秒百万浮点数MFLOPS（ P11）例题：P10，例
9、1.1例1.5。P33，题12 ，题13 ，题14 。2001.9.114计算机系统结构例题选讲（1）例1.1（P10） Amdahl定律公式，已知：Fe=0.4，Se=10，求Sn。 它说明局部（40%）的大幅度改进（10倍）对全局的作用要 小得多（1.56倍）。例1.2（P10） Amdahl定律公式，已知方案1 ：Fe1=0.2，Se1=10， 求Sn1；已知方案2 ：Fe2=0.5，Se2=2，求Sn2 。 它说明大范围的小幅度改进（方案2）效果可能更好。2001.9.115计算机系统结构例题选讲（2）例1.3（P11） CPI公式，注意该公式中的指令数百分比不同于 Amdahl定律中
10、的时间百分比Fe，避免用错。 已知： ICFP / IC = 25%，IC非FP / IC = 75%；IC FPSQR / IC = 2%，IC非FPSQR / IC = 98%。 改进前：CPI FP = 4.0，CPI非FP = 1.33；CPI FPSQR = 20，CPI非FPSQR = ？ 改进后：CPI FP = 2.0， CPI非FP = 老值；CPI FPSQR = 2.0，CPI非FPSQR = 老值。 求： 两种方案改进后的CPI。 分析： 方案2缺一个条件CPI非FPSQR ，但改进前用两种方法 算出 的CPI应该是相同的，所以由CPI 老 = CPI FP ICFP
11、/ IC+ CPI非FP IC非FP / IC= CPI FPSQR ICFPSQR / IC+ CPI非FPSQR IC非FPSQR / IC2001.9.116计算机系统结构例题选讲（3）解出CPI非FPSQR = 80 / 49现在分别用两种方案改进后的参数代入公式，算出新的 CPI为1.64和1.5，显然CPI值较小的方案2较好。教材的解法中有两个小公式值得注意，一个是：另一个公式较容易理解：2001.9.117计算机系统结构例题选讲（4）例1.4（P12） Te公式，其中CPI用相应的公式代换对A机器，已知CPI转=2，IC转/ICA=20%，CPI非转=1，IC非转/ICA=80%
12、 ，Te_A=1.2ICA CYCLEA； 对B机器，从题义可知， IC比转= IC转， ICB = ICA 80% ， CYCLEB =1.25 CYCLEA，CPI比转=2，所以IC比转/ICB= IC转/（ICA 80% ） =25% ，CPI非比转=1，IC非比转/ICB=75%， Te_B = 1.25ICB CYCLEB = 1.2580%ICA1.25CYCLEA= 1.25ICACYCLEA Te_A 显然A机器快一些。2001.9.118计算机系统结构例题选讲（5）例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 CYCLEA，则最 后 Te_B = 1.25I
13、CB CYCLEB = 1.2580%ICA1.1CYCLEA= 1.1ICACYCLEA ci+1。2001.9.148计算机系统结构3.2.2 性能指标（P132-P134）(1) 容量：S=S2 （理论上）(2) 单价：（美分/bit）2001.9.149计算机系统结构(3) 速度：表现访问速度的参数很多 命中率：反映被访问数据事先已在M1的发生概率 等效访问时间：命中时的访问时间为T1，不命中时的访问时间为T2，等效 访问时间则是它们的概率均值2001.9.150计算机系统结构 访问效率：这是一个相对值，便于不同系统之间的比较。访问效率e受H和r的影响（参见右图） ：2001.9.15
14、1计算机系统结构 Cache预取技术对命中率的提高作用（P134）：这里所说的“预取”技术，并不是根据对程序执行的未来趋势进行 猜测以提前调入数据，而仅仅是在发生不命中情况时把调入1个数据 字改为调入1个数据块的策略。根据程序的局部化原理，在当前使用 数据周围的其它数据未来被使用的几率大于远处数据，所以该数据块 中被提前调入的邻近数据很可能成为未来的命中点，从而提高命中率 。采用这种预取技术后新的命中率为其中：H 原命中率（即按照不命中时取入1字的策略）；H 新命中率（即按照不命中时取入1块的策略）；n 每块数据平均被访问次数。2001.9.152计算机系统结构按照定义，原不命中率 ，新不命中
15、率，并且有 。由于预取使得每块数据中的不命中次数由n次降低到1次，所以有。此式可改写为 ，整理得 。H的推导：2001.9.153计算机系统结构 加速比（P193）Cache-主存层次的主要作用是提高访问速度，系统的等效速度应 高于主存（即M2）的原有速度，两个速度之比称为加速比。2001.9.154计算机系统结构M1 103B T1=1us 103BM2 106B TB2=10usM3 109B TB3=100us 109B(a) (b) 例3.2有一个109字节的程序被装 入右图所示的M3准备运行。 假定指令字长=1字节，程序 中无转移指令和内存读/写指 令。(1)按图(a)求T和e； 增加中间层对e的影响(2)按图(b)推导三层体系的T公式；(3)按图(b)求T和e；(4)比较(1)(3)结果，有何结论？2001.9.155计算机系统结构解：2001.9.156计算机系统结构习题： P202，题3。2001.9.157计算机系统结构存储层
