计算机信息系统结构研究

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1、计算机系统结构 （第2版）,清华大学计算机系列教材 郑纬民 汤志忠 编著,课程介绍,1. 课程名称 Computer Architecture 计算机系统结构 计算机体系结构 建筑物的设计或式样, 通常指一个系统的外貌 2. 研究内容 从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象 编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机属性,3. 学习目的 建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 了解计算机系统的最新研究成果 4. 学科方向 一级学科 1 个：计算机科学与技术 二级学科 3 个：计算机系统结构、计算机软件及理论、计算机应用技术 全国重点学科：计算机系

2、统结构、计算机应用技术,5. 与其他学科的交叉 学科交叉：计算机组成、操作系统、汇编语言、数据结构、微计算机技术、计算机网络、 新内容：超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互连网络、 计算机系统结构正处于变革时期 软件-系统结构-实现技术, 两头发展快中间慢 非冯计算机正兴起 系统结构的发展时期已经到来,6. 课程安排 课内：60学时， 课内外比例：课内1：课外1 除完成作业之外，还要多看参考书 多看好论文(被 SCI、EI 收录)，了解国内外最新研究成果 7. 教材和参考书 教材：清华大学计算机系列教材：计算机系统结构(第二版) ，清华大学出版社,

3、参考书： (1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第二版,第三版即将出版），清华大学出版社 (2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等计算机系统结构：并行性 可扩展性 可编程性，清华大学

4、出版社、广西科学技术出版社,1.1 计算机系统结构简介 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,第1章 基本概念,1.1 计算机系统结构简介,1.1.1 为什么要研究系统结构 1.1.2 如何认识计算机系统 1.1.3 计算机系统结构的定义 1.1.4 计算机组成技术 1.1.5 计算机实现技术,1.1.1 为什么要研究系统结构,1. 提高处理机运算速度：MIPSFz IPC 其中: Fz为处理机的工作主频 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数 提高IPC：依靠先进系统

5、结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令 现在，一个周期完成几条指令 提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步 流水线技术等，依靠先进系统结构 从指令串行执行，到P4的20级流水线,2. 计算机性能提高的几个阶段 20世纪70年代末之前，大型机和小型机计算机性能每年提高25%30%。 20世纪80年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，性能每年提高35% 20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系统等，性能每年提高50% 1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的5倍。 3. 近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。 4. 计算机系统的设计者们要不断创新。,1.1.

6、2 如何认识计算机系统,1. 虚拟计算机 定义：从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的。 主要观察角度包括： 应用程序员 系统程序员 硬件设计人员 对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次上,虚拟计算机系统,2. 计算机系统的层次结构 计算机系统可分为7个层次 第3级至第6级由软件实现,称为虚拟机 从学科领域来划分： 第0级和第1级属于计算机组成原理 第2级属于计算机系统结构 第3至第5级属于系统软件 第6级属于应用软件 它们之间有交叉 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现,计算机系统的层次结构,3. 透明性概念 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

7、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,1.1.3 计算机系统结构的定义,计算机系统结构定义一 Amdahl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：系统程序员（包括：汇编语言、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所必须了解到的,概念性结构

8、 IBM360系列计算机的概念性结构,数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存 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：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等； 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； 输入输出系统：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。,功能特性 指令系统及其执行模式,2. 计算机系统结构定义二 研究软硬件功能分配和对软

9、硬件界面的确定 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。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 不同的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。,1.1.4 计算机组成技术,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； 确定各种操作对功能部件的共享程度； 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

10、队策略； 设计控制机构； 确定采用何种可靠性技术。,1.1.5 计算机实现技术,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； 器件、模块、插件、底版的划分与连接； 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模糊。,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,1.2 计算机系统的评价标准,1.2.1 运算速度,运算速度是表示处理机性能的主要指标。 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

11、频率（处理机主频） 只能用于同一公司、同一类型、同一配置的处理机 如：Pentium4 2.0G比Pentium4 1.6G快25%? Pentium4 2.4G比Pentium4 1.6G快50%? 只表示CPU的指令处理能力 实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序等均有关。,2.指令执行速度 一种经典的表示运算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中: Fz为处理机的工作主频 CPI(Cycles Per Instruction)为 每条指令所需的平均时钟周期数 IPC(Instruction Per

12、 Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数 例1：计算 PentiumIV 2GHz 处理机的指令执行速度。,解：由于 PentiumIV 2GHz 处理机的 IPC4（或CPI0.25）, Fz2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2GFzIPC20004 8000MIPS8GIPS 即每秒钟80亿次(平均每秒钟执行80亿条指令) 主要优点：直观、方便。目前还经常使用 主要缺点: (1) 不同指令的执行速度差别很大 (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：加减法50，乘法15，除法5，程序控制15，其他15

13、 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,例2：我国早期研制的一种小型计算机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。,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CPI4.0；其余 75指令的CPI1.33，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：,等

14、效CPI110024231.33753.92 等效CPI24251.33752.00,改进了在用户程序中仅占2的开平方操作，整个机器的等效运算速度提高了近一倍。,4. 指令执行速度的 4 种平均方法 算术平均： 调和平均(用速率来度量)： 加权平均 加权算术平均： 加权调和平均：,几何平均： 其中：n 指不同的程序，ETR(execution time ratio) i是第i个程序相对于参考机器正交化后的执行时间 几何平均速度与所参考的机器无关，有如下性质： 几何平均值的比率等于比率的几何平均值,运行程序P1时，A的速度是B的10倍； 运行程序P2时，B的速度是A的10倍； 运行程序P1时，A

15、的速度是C的20倍； 运行程序P2时，C的速度是A的50倍； 运行程序P1时，B的速度是C的2倍； 运行程序P2时，C的速度是B的5倍。,算术平均： 程序P1和P2各执行1次，B的速度是A的9.1倍； 程序P1和P2各执行1次，C的速度是A的25倍； 程序P1和P2各执行1次，C的速度是B的2.75倍。 结论： 执行程序P1和P2相同次数， 机器A最慢，机器C最快 算术平均速度：三台机器的速度之比为： A：B：C = 1：9.1：25,加权算术平均 加权算术平均W1三台机器的速度：A B C加权算术平均W2三台机器的速度：A C B加权算术平均W3三台机器的速度：C B A,几何平均 几何平均

16、值与所参考的机器无关，机器A与机器B的性能相同，机器C的执行时间是机器A或机器B 的0.63倍。 执行程序P1和P2的总时间，机器A几乎是机器B的10倍。,5. 核心程序法 把应用程序中使用最频繁的那部分程序作为评价计算机性能的标准程序。称为基准测试程序(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。 VAX-11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystones，即：1VAX MIPS1757 DhrystonesSecond 浮点测试程序：Linpack 用FORTRAN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, SPEC基准程序 System