计算机系统结构第1章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,计算机系统结构,主讲：,任国林,Email,：,2,引 言,一、,计算机系统的性能与结构,1,、计算机系统性能,*系统性能：,指,在,计算机硬件,上,运行的,计算机软件,的性能,思考,-,我买,计算机,时，关注什么？可以获得哪些数据？,*,性能指标：,处理,能力,响应时间、,吞吐率,(MIPS,或,MFLOPS),等,其它能力,正确性、兼容性、,RAS,(,可靠性,/,可用性,/,可维护性,),等,思考：,参数,(,主频,/,主存容量,/FSB,频率,/,显卡,),与处理能力关系？,思考：,品牌与其它能力关系？,思考：,我选择机型及品牌时，如何决策？,3,联想,G40-80（i5 5200U）,CPU,系列,Intel,酷睿,i5 5,代,内存容量,4GB（4GB1）,CPU,型号,Intel,酷睿,i5 5200U,内存类型,DDR3,CPU,主频,2.2GHz,插槽数量,2,SO-DIMM,(,/,DIMM),最高睿频,2700MHz,最大内存容量,16GB,三级缓存,4MB,硬盘容量,500GB,(+,固态,HD,),总线规格,DMI,5GT/s,显卡芯片,AMD Radeon R5 M230,核心架构,Broad well,显存容量,2GB,核心,/,线程数,双核心,/,四线程,显存类型,DDR3,制程工艺,14nm,显存位宽,64bit,指令集,AVX2,，,64bit,流处理器数量,320,功耗,15W,Direct X,11.2,I/O,接口,USB,、,VGA,、,HDMI,、,RJ45,(,内部,PCI-E/S-ATA),计算机硬件参数,DMI,直接媒体接口,(,Direct Media Interface,),，,GT/s,千兆次传输,/,秒,AVX,高级矢量扩展,(,Advanced Vector Extensions,),，,是,SSE(,流式,SIMD,扩展,),的扩展,4,2,、,计算机系统,结构,*计算机,换代,标志：,器件、技术、结构等的飞跃,*系统效率与结构关联：,系统,效率,器件,效率,结构,效率,例：,1965,1975,年，系统效率提高,100,倍，器件速度仅提高,10,倍；,Pentium-,200,、,P-,233,的,iCOMP 2.0,分别为,142,、,267,(iCOMP,intel COmparative Microprocessor Performance,，,Intel,微处理器性能比较指数,),*系统结构研究内容：,划分软,/,硬件功能界面，研究新的,结构与技术,思考,-,我设计某计算机系统时，如何划分软,/,硬件界面？,如何组织硬件功能？如何评价所设计方案？,（本课程的主要内容）,5,二、课程目标,1,、课程目标,(1),计算机系统结构的研究,掌握系统结构,的概念、内容,及设计原理；,掌握系统结构相关内容的技术、分析及优化设计方法；,了解系统结构的性能设计原理及最新,技术,(2),计算机并行处理技术的研究,流水线技术的分析及设计；,互连网络,技术分析；,并行处理机及多处理机技术,分析,6,2,、课程学习方法,(1),从,系统设计者,角度，,分析和评价系统,结构,掌握系统结构相关内容对系统性能的,影响,；,掌握系统结构相关内容的,性能分析方法,(2),通过,剖析,PC,机相关,技术,，掌握系统结构设计,方法,掌握系统结构基本内容的,相关技术,及,设计方法,；,掌握系统结构,优化设计,及,并行处理技术,系统,结构的分析、设计和优化,方法,是本课程的重点！,3,、参考教材,1,计算机系统结构教程,(,第,3,版,),，,张晨曦等,，清华大学出版社,2,计算机系统结构：一种定量的方法,(,第,2,版,),，,郑纬民,等译，,清华大学出版社,7,第一章 系统结构基础,8,第,1,节,系统结构的基本概念,一、,计算机系统的层次结构,软硬件,交界面,L6,：应用语言级,L5,：高级语言级,L4,：汇编语言级,L3,：操作系统级,L2,：机器语言级,L1,：微程序机器级,L0,：电子线路,硬件,固件,软件,虚拟机器,实际机器,翻译（应用程序包）,翻译（编译程序）,翻译（汇编程序）,解释,硬件直接执行,部分解释,计算机语言实现技术,9,二、,计算机系统的设计思路,*由,上向下,方法：,软件硬件,，适合专用机的,设计,特点,周期长,(,好几年,),，忌,需求变化,，,不能利用,最新软件技术,形成软、硬脱节,*由,下向上,方法：,硬件软件,，适合通用机的设计,特点,周期长,(,好几年,),，不能利用,最新硬件技术,，,软件效率,低,形成,软、硬脱节,*从,中间开始,方法：,首先设计软,/,硬件交界面,特点,周期短,(,约,1/2),，,能够利用,最新软、硬件技术,主流设计方法,要求,不断,进行交互、优化,设计,需好的,评价,工具及方法,设计人员技术要全面,10,三、,计算机系统,结构的概念,*,问题,：,不同语言层次的程序员，看到的系统,结构不同！,1,、系统结构定义,(1),基本定义,程序员,所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性,(2),精确定义,-Amdahl,提出,机器语言程序员,或,编译程序编写者,所看到的计算机的,属性,概念性结构,功能特性,系统软,、硬件功能,界面的组成,界面功能的分配或组织,(,其上用软件实现、其下用硬件实现,),*,实质：,研究,软、硬件间的,界面定义,及,其上下的功能分配,11,2,、系统,结构,的研究内容,CPU,键盘接口,键盘,显卡,显示器,MEM,磁盘接口,磁盘,机器语言级机器,指令系统,程序员看到的属性,进程管理程序,作业管理程序,文件管理程序,存储管理程序,设备管理程序,信息保护,操作系统级机器,注：,作业管理含,用户,界面操作处理,输入设备触发程序执行,回下页,回,13,页,*相邻两级,机器的,关联：,12,数据,表示,硬件能直接识别和处理的,数据类型,寻址方式,最小寻址单元、,寻址种类及规则,(,地址运算,),寄存器,组织,寄存器的种类、数量和使用方式,指令系统,机器指令的类型、格式，指令间排序及,控制,*系统结构的研究内容：,指令系统,程序员,看,到,的属性,信息保护,机器状态,存储系统,I/O,系统,中断系统,存储系统,主存,编址单位、可编址空间，容量等,I/O,结构,I/O,设备连接方式、数据,传送,方式及格式、,I/O,操作 状态,表示,等,中断系统,中断的类型、中断响应的硬件功能,等,机器,工作状态定义和切换,系统态,/,用户态的组织与,管理,信息,保护,保护方式、硬件支持,等,转上页,13,转,10,页,3,、结构与组成及实现的关系,*计算,机组,成：,计算机系统,的设计人员,看到的基本,属性,研究,内容,数据,通路宽度、专用部件设计,、功能部件,并行度、控制机构,组成、,排队与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术,等,实质,系统结构的逻辑实现,（合理实现,分配给硬件的,功能）,*,计算机实现：,计算机实现时的基本属性,实质,计算,机组成的物理,实现,(,研究器件与微组装技术,),例,：,系统结构 计算机组成,计算机,实现,乘法功能,是否有乘法指令 乘法器,/,加法,+,移位,芯片机电路,主存系统,容量、编址方式 速度、措施 器件、电路,总线系统,带宽、时延 线数、传输控制 介质、线距,*,结构、组成、实现的关系,：,1:n,1:,m,结构,组成 实现,14,四、,系统结构的分类,1,、弗林分类法,*分类原理：,按,指令流,和,数据流,的,多倍性分类,*类型：,SISD,、,SIMD,、,MISD,、,MIMD,SISD,CU,MM,IS,IS,PU,DS,SIMD,CU,MMm,DS1,IS,IS,MM1,PUn,DSn,PU1,MISD,DS,IS1,IS1,ISn,DS,ISn,MMm,MM1,PU1,PUn,CU1,CUn,MIMD,DS1,IS1,IS1,ISn,DSn,ISn,MMm,MM1,PU1,PUn,CU1,CUn,*,特点：,性能依次提高，,对流水线处理机分类不,明确,15,2,、汉德勒分类法,*分类原理：,在,3,个层次，按,并行程度及,流水处理,程度,分类,层次,PCU,（处理器或宏流水）,K,级,ALU,（算逻部件或指令流水）,D,级,BLC,（位级电路或操作流水）,W,级,描述,T(C),其中：,K,为,PCU,数、,K,为宏流水级数,(PCU,数,),，,K,K,D,为每个,PCU,中,ALU,数、,D,为指令流水级数,(ALU,数,),，,W,为,ALU,或,PE,字长，,W,为操作流水线级数,(ELC,套数,),*,特点：,对并行及流水线的程度有清晰的描述,注：,流水属并行的一种类型，但有所不同；,并行程度越好，性能越高,16,3,、按控制方式,分类,*分类原理：,按程序执行的控制方式分类,*分类结果：,共有,4,种类型,控制流,方式,指令按逻辑顺序,执行,(,如冯,诺依曼模型,),数据流,方式,只要操作数到位，指令即可执行，,指令无序,执行,(,，源目的求解过程,),规约,方式,当需要该指令结果时,，指令,才会执行，,指令无序,执行,(,，目的源目的求解过程,),匹配方式,由谓词,模式匹配，驱动,指令的,执行,(,适合,非数值型数据应用,，如智能型计算机,),*,特点：,除控制流方式外，,其它方式并行,程度较好,17,五、,系统结构的设计步骤,1,、需求分析,分析范围包括：应用,环境、所用语言种类及特性、对,OS,的特殊要求、所用外设特性、技术经济指标、市场分析,等,2,、需求说明,形成,设计,准则,、功能说明、器件性能说明,等,造价,/,可靠性,/,可扩展性,/,兼容性,/,速度等方面的原则,3,、概念性设计,进行软、硬件功能分析，确定机器级,界面,4,、具体设计,机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种,方案,5,、反复进行评价及优化设计,18,第,2,节,定量分析基础,一、,计算机的性能指标,回,22,页,*,计算机的性能,：,正确性、工作能力、可靠性,正确性,指与数学计算结果的一致性，默认是正确的,工作能力,指系统的速度，分为峰值性能、持续性能,响应时间：,指,任务从输入到结果输出,的,总时间,，,反映,CPU,、,I/O,系统及,OS,等的总体,性能,吞 吐 率：,指单位时间内能处理的,作业或任务数量,，,反映系统的多任务处理性能,可靠性,用平均无故障时间,(MTTF),表示，影响价格,可用性,=MTTF/(MTTF+MTRF),，,MTRF,为平均修复时间,19,1,、响应时间,*定义：,指,一个任务从输入到输出的总时间,T,响应,T,CPU,T,其它,，,T,CPU,T,系统,CPU,T,用户,CPU,I,N,CPIT,C,，,CPI,包含,ALU,、访问,MEM,及,I/O,端口时间,性能因子,系统属性,I,N,p,m,k,T,C,指令系统结构,编译技术,PE,实现与控制技术,Cache,和内存层次结构,*,特点：,能够反映软硬件系统的,总体性能,，但不易测量,*,影响,CPI,的,因素：,T,CPU,I,N,CPIT,C,I,N,(p,mk)T,C,其中，,p,处理时延,/,指令，,m,访存次数,/,指令，,k,访存时延,20,2,、吞吐率,*定义：,指单位时间内能够,处理的任务数量,T,P,nn,个任务总时间,*,常用标准：,对任务的,定义无法统一,MIPS(,每秒百万次指令,)-,MIPS,不能反映指令功能强弱，常用相对,MIPS,表示,MFLOPS(,每秒百万次浮点运算,),MFLOPS,仅,反映,浮点操作,能力，,不同,OP,用正则化法关联,*,特点：,吞吐率与,I/O,软硬件,组织、,OS,关系密切；,能够反映,软硬件系统,对,多任务,的响应能力,21,4,、系统可扩放性,*适用范围：,多,(,处理,),机系统的并行处理能力评价,衡量方法,-,测量