第1章

第 1 章计算机系统结构的基本概念张晨曦刘依 www. GotoSchool .net [email_address]

1.1 引言 1.2 计算机系统结构的概念 1.3 定量分析技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展

[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.1 引言

1.1 引言约 20% 3 个（见下页） 2002 年以来 50% 以上维持了约 16 年 RISC 结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展 20 世纪 80 年代中开始约 35% 大规模集成电路和微处理器出现 , 以集成电路为代表的制造技术的发展 20 世纪 70 年代末－ 80 年代初 25% 两种因素都起着主要的作用 1946 年起的 25 年每年的性能增长原因时间

1.1 引言 ,[object Object],[object Object],[object Object]

1.1 引言系统结构的重大转折：从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。

[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.2 计算机系统结构的概念 1.2.1 计算机系统的层次结构

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.2.2 计算机系统结构的定义

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.2.3 计算机组成和计算机实现 ,[object Object],[object Object],[object Object]

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.2.4 计算机系统结构的分类常见的计算机系统结构分类法有两种： Flynn 分类法、冯氏分类法

1.2 计算机系统结构的概念 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.3 定量分析技术 1.3.1 计算机系统设计的定量原理

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],加速比＝系统性能改进后系统性能改进前总执行时间改进前总执行时间改进后＝

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],总执行时间改进后＝不可改进部分的执行时间＋可改进部分改进后的执行时间总执行时间改进后＝ (1 －可改进比例 )× 总执行时间改进前 + ＝ [ (1 －可改进比例 ) + ] × 总执行时间改进前可改进比例部件加速比可改进比例 × 总执行时间改进前部件加速比

1.3 定量分析技术 ,[object Object],加速比＝总执行时间改进前总执行时间改进后＝（ 1 －可改进比例） + 可改进比例部件加速比 1

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],总加速比 = 1 0.6 + 0.4 20 = 1.613

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],n i =1

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],i =1 n 时钟周期数 IC  （ CPI i ×IC i ） i =1 n IC  （ CPI i × ） i =1 n IC i IC

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.3.2 计算机系统的性能评测

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],执行时间 Y 执行时间 X = n n = = = 执行时间 Y 执行时间 X 性能 Y 1 性能 X 1 性能 X 性能 Y

[object Object],两个程序在 A 、 B 、 C 三台计算机上的执行时间 20.00 10.00 2.00 加权算术平均值 A m （ 3 ） 20.00 10.00 91.91 加权算术平均值 A m （ 2 ） 20.00 10.00 500.50 加权算术平均值 A m （ 1 ） 0.001 0.091 0.50 20.00 10.00 1000.00 程序 2 0.999 0.909 0.50 20.00 10.00 1.00 程序 1 W （ 3 ） W （ 2 ） W （ 1 ） C 机 B 机 A 机

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.3 定量分析技术 ,[object Object],[object Object],[object Object]

1.4 计算机系统结构的发展 1.4.1 冯 · 诺依曼结构存储程序计算机的结构

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.4.2 软件对系统结构的影响

` ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.4 计算机系统结构的发展

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.4.3 器件发展对系统结构的影响

SGI Cray T3E ， IBM SP2 ， DEC AlphaServer 8400 大规模、可扩展并行与分布处理超标量、超流水 SMP 、 MP 、 MPP 机群高性能微处理器高密度电路第五代（ 1991 年—） Cray-1 ， IBM 3090 ， DEC VAX 9000 ， Convax-1 并行与分布处理向量处理分布式存储器 LSI 和 VLSI 半导体存储器第四代（ 1975—1990 年） IBM 360/370 ， CDC 6600/7600 ， DEC PDP-8 多道程序分时操作系统流水线、 Cache 先行处理系列机 SSI 和 MSI 多层印刷电路微程序第三代（ 1965—1974 年） Univac LAPC ， CDC 1604 ， IBM 7030 高级语言和编译批处理监控系统浮点数据表示寻址技术中断、 I/O 处理机晶体管、磁芯印刷电路第二代（ 1955—1964 年）普林斯顿 ISA ， ENIAC ， IBM 701 机器语言汇编语言存储程序计算机程序控制 I/O 电子管和继电器第一代（ 1945—1954 年）典型实例软件特征结构特征器件特征分代

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.4.4 应用对系统结构的影响

1.4 计算机系统结构的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.4.5 系统结构的生命周期

1.4 计算机系统结构的发展

[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.5 计算机系统结构中并行性的发展 1.5.1 并行性的概念

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.5.2 提高并行性的技术途径

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.5.3 单机系统中并行性的发展

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

1.5 计算机系统结构中并行性的发展 ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],1.5.4 多机系统中并行性的发展

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