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1、1,计算机组成与结构9,王晓荣 2011.3,2,第9章 计算机系统结构,9.1 计算机系统概述 9.2 微机系统、工作站和服务器 9.3多媒体计算机 9.4超级标量处理器、超级流水线处理器和超长指令字处理器 9.5向量计算机、阵列处理器和多处理器系统 9.6计算机网络 9.7计算机硬件设计和实现简述,3,9.1 计算机系统概述,(一). 计算机系统的分类(P361)随着计算机系统结构的发展，出现了各种复杂程度不同，运算速度、处理能力各异的计算机系统，同时也出现了对计算机系统进行分类的各种方法。目前常用的是1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。其中指令流是机器执行的指令序列，数据
2、流是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列四类。,4,1. 单指令流单数据流(SISD)计算机系统 通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的 SISD 计算机每次执行一条指令，每次从存储器取(或存)一个数据，为了提高运算速度，有些 SISD 计算机设置了指令流水线和运算操作流水线，有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。,5,2. 单指令流多数据流 (SIMD)计算机系统 通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。各处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器“播送”同一条指令，所有“活动的”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流
3、(各处理器可由程序分别设置成“活动的”或“不活动的”，“不活动的”处理器不执行指令规定的操作)；各“活动的”处理器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各处理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。为各个处理器所专用的存储器又叫局部存储器。,6,3. 多指令流单数据流 (MISD) 计算机系统 MISD 计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。 4. 多指令流多数据流 (MIMD) 计算机系统 典型的 MIMD 计算机系统由多台处理器(包括指令控制部件和处理器)和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理器和
4、各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据(各不相同)。,7,（二） 提高计算机系统运算速度的方法,提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种： (1) 改进器件工艺，减少芯片线宽，提高集成度与工作频率。 (2) 改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。 针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有： (1) 采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少访问存储器次数。,8,(2) 采用多体交叉存储器和cache，以协调CPU和存储器之间的速度匹配。 (3) CPU 和输入输出设备并行工作，以减少 CPU 等待和空闲时间。 (4) 操作重叠的流水线工作方式。 这些方法开始
5、都用在大型计算机上，现已推广到中、小型机甚至微机上。 在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。,9,（三） 开放系统,1. 专有系统与开放系统 (1) 专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术，从历史上看，一些有名的大计算机公司，如 IBM、DEC 都是靠独家专利的计算机发迹的。 (2) 开放系统。硬件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口、计算机网络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适
6、合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。,10,2. 开放系统的特点 (1) 遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件具有共享数据和协同工作的能力。 (2) 开放系统可由制造商、增值转销商或最终用户从不同公司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上的投资(即原有软件仍能运行)。,11,(3) 有大量第三方软件公司或用户的软件产品可在开放系统上运行。 (4) 开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有国际标准、国家标准及事实上的标准(工业标
7、准)，前面二种标准应经相应的标准化组织通过，而工业标准是由于产品的巨大销量而成为实际的标准。,12,（四）计算机系统的性能评测,1. 评测性能的几种方法 计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快，但是相同频率，不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。 早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度。这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、cache、流水线等与机器的性能有很大关系，在计算时不能得到充分反映。,13,另外有一种通过
8、“计算处理速率”(processing data rate, 简称PDR) 值的方法来衡量机器性能。PDR 值大机器性能好。PDR 是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值 (加权)、其计算公式如下：PDRLRL0.85G0.15H0.4J0.15KR0.85M0.09N0.06P 式中： G是每条定点指令的位数；M是定点加法平均时间； H是每条浮点指令的位数；N是浮点加法平均时间；,14,J是定点操作数的位数；P是浮点乘法平均时间。 K是浮点操作数的位数； PDR 值主要对 CPU 和主存储器的速度进行度量，与真正的机器运行速度有不少差别，它曾是美国政府确定计算机出口许可证的限制性指标。
9、等效乘法速率 (equivalent multiply rate,简称EMR) 曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。 核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的局部性大，cache 命中率偏高。,15,基准程序法 (benchmark) 是目前一致承认的较好的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的结果：通常整数性能用 MIPS(百万次整数运算指令秒)、浮点性能用 MFLOPS(百万次浮点运算指令秒)等表示。通常将 VAX11780 的运算速度定为1 MIPS。 2. 基准测试程序 基准测试程序往往是为了测试
10、计算机系统某一部分性能而人为地选择一些典型指令组成的，也可能是从实际的应用程序中选择一部分作为测试程序。常用的有：,16,(1) 整数测试程序 Dhrystone 基准测试程序主要用于测试编译器和 CPU 处理整数指令和控制功能的有效性。当今已很少使用。 (2) 浮点测试程序 Linpack 基准测试程序是一组求解密集线性代数方程组的程序包，初创于70年代，在以后的20多年中不断完善和更新，至今仍是计算机性能测试的主要标准之一。 Whetstone 基准测试程序主要由执行浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移和超越函数的程序组成。当今已很少使用。,17,(3) 计算机综合测试程序
11、 SPEC 随着计算机技术的飞速发展，厂商和用户都希望有一个标准、客观和公正的评测工具。在此背景下，一个非营利性组织美国标准性能评价协会(Standard Performance Evaluation Corporation,简称SPEC)于1988年成立。SPEC发表的第一组标准化测试程序是SPEC 89，后来在1992年和1995年相继推出了SPEC 92和SPEC 95，并取代了老的版本。SPEC的基准测试程序全部选自实际的应用程序。以下讨论SPEC 95测试程序。,18,SPEC 95由两组基准程序组成： SPEC CINT 95用C语言写成的整数/非浮点计算基准程序。由8个基准程序组
12、成。 SPEC CFP 95用FORTRAN语言写成的浮点计算基准程序。由10个基准程序组成。 SPEC 95重点测试计算机的处理器、存储结构和编译器的性能，对I/O、网络和图形部件的测试未加考虑。,19,SPEC组织采用SUN SPARC Station 10/40工作站作为SPEC 95的参考机(SPEC 89和SPEC 92的参考机为VAX-11/780)，CINT 95和CFP 95两组基准程序在参考机上大约需要运行48小时。每个基准程序经参考机的运行和测试得到相应的参考时间，将用于被测试机器的SPEC 95性能指标的计算。SPEC规定在SPEC 95参考机上测试每个基准程序的得分为1
13、，在被测机进行SPEC 95测试时，CINT 95和CFP 95中的每个基准程序单独计算得分，然后再用这些得分计算各项合成指标(取几何平均值)。假定被测计算机系统的得分为10，则表示该系统的相应能力是参考机的10倍。,20,SPEC 95的主流版本是用于UNIX操作系统的版本。为了保证测试结果的公正性和可比性，所有的测试必须在SPEC提供的工具环境中完成，包括配置文件的生成、程序的编译、运行环境的建立和实施、测试报告结果的生成等。整个测试是在严格的规则下自动完成的，绝对禁止任何手工干预。 SPEC 95和SPEC 92的基准程序、运行规则和使用的SPEC工具等都不相同，因此无法提供这两类测试结
14、果指标之间的相互转换关系。,21,事务处理性能测试委员会(Transaction Process performance Council,简称TPC)是一个专门负责制定计算机事务处理能力测试标准并监督其执行的组织。20世纪80年代初出现了一种新的在线计算模式，它通过在线数据库系统进行简单的事务处理，拥有良好的在线事务处理(online transaction process,简称OLTP)系统的厂家就可以赢得更多的客户；因此制定有关的测试标准就提到日程上来了。TPC于1988年成立，1989年发布了其成立后的第一个标准： TPC-A。,22,20世纪90年代，TPC又发表了两个新的标准：OLT
15、P测试标准TPC-C和决策支持系统测试标准TPC-D。这两个标准在各自领域内得到承认，但是随着系统能力的增加，新的TPC-C和TPC-D计划在1999年发布。 1998年，TPC发布了新的基于Web商业的测试标准TPC-W，用来测试一些通过Internet进行的商业行为，如零售店、机票预定等。 事务吞吐量(每分钟可完成多少个任务)和性能价格比是TPC的两个重要测试指标。,23,(5) 行业基准测试 国内外一些重要行业，如核能、航天、气象、石油行业等，深感通用基准测试程序的不足，他们根据自己行业应用的特点而开发了一批基准测试程序，其成功者，再逐步推广到其他行业，成为公共的基准测试程序。 3. 基
16、准测试的公正性和准确性 所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。,24,测试结果是否能准确反映计算机实际使用的效果，这就是准确性问题。计算机系统性能是软硬件有机结合的整体的综合性能，而基准测试则是由若干个局部测试程序组成的，不能全面反映综合性能，尤其是尚未解决如何检测系统的瓶颈问题；再加上厂家大肆宣传对其有利的测试结果，而掩盖其缺点，因此对基准测试的结果也不能迷信。另外有些重要性能，如系统的可靠性、可用性和可维护性很难测试。因此基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。,25,9.2 微机系统、工作站和服务器,（一）微机系统 Intel微处理器及个人计算机 Intel微处理器及个人计算机20世纪80年代微机的兴起促进了计算机的大普及。微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半导体器件生产厂家是 Intel 公司。 微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的方向发展。表11.1列出了Intel微处理器芯片的有关参数。,26,表11.1 Intel微处理器性能,
