计算机系统结构第1讲

计算机系统结构第1讲内容摘要：

指令速度 MIPS、 GIPS、 TIPS Pentium III 500有 3条指令流水线，则其峰值指令速度为： 3 500MHz＝ 1500 (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  ８ ４ ３ ＝ 48(GIPS) 即每秒 480亿次。 峰值指令速度 MIPS、 GIPS、 TIPS . 2 其他方面的性能 1. 存储能力 寻址空间大小， 21 22 23 26 … 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  Offline Storage 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： 0～ 11， 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、可维护性 . 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 计算机系统结构的定义 计算机系统的评价标准 计算机系统的设计方法 计算机系统结构的发展 计算机系统的分类 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 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 七十年代 硬件 软件 成本 年代 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 Cs R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： （ ）：（ ）DhVCh DsVR Cs   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。 计算机系统结构 （第 3讲） 3. 从改进性能考虑的软硬件取舍 基本方法： 加快经常性事件的执行速度 Amdahl定律： 系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 在 Amdahl定律中 ， 加速比与两个因素有关： 时间改进后改进部分的执行时间改进前改进部分的执行，时间改进前整个任务的执行可改进部分占用的时间SeFe改进后整个任务的执行时间为： 其中Ｔ 0为改进前的整个任务的执行时间。 改进后整个系统的加速比为： 其中 （ 1Fe)表示不可改进部分。 T T F FSn eee   0 1( )STT F FSnneee  0 11( )例 5： 假设将某一部件的处理速度加快到 10倍 ， 该部件的原处理时间仅为整个运行时间的 40%， 则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少。 解： 由题意可知： Fe=, Se=10， 根据Amdahl定律，加速比为： S n   11 0 40 41010 641 56( . ). . . 软件兼容性设计方法 原因： 软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。 兼容种类 向后兼容 在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上。 向前兼容 向上兼容 在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上。 向下兼容 其中 向后兼容最重要 ，必须做到 向上兼容尽量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考虑 方法 1：系列机方法 系列机定义： 具有相同的系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统 实现方法： 在系统结构基本不变的基础上，根据不同性能的要求和当时的器件发展情况，设计出各种性能、价格不同的计 算机系统。 一种系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现。 如 IBM370系列机： 370/11 12 13 14 15 168等各种型号。 相同的系统结构，不同的组成和实现技术，不同的性能和价格。 相同的指令系统，分别采用顺序执行、重迭、流水和并行处理方式。 相同的 32位字长，数据通道的宽度分别为 8位、 16位、 32位、 64位。 PC系列机： 808 808 8018 8028 80388048 Pentium、 PentiumII、 PentiumIII 不同工作主频； 不同扩展功能： Pentium、 Pentium Pro、Pentium MMX 不同的 Cache： PentiumII、 Celeron、Xeon 不同的字长： 8位（ 8088）、 16位（ 80286。