计算机系统结构 chapter1-3 计算机系统结构、组成与实现.pptVIP

* 计算机系统定量设计原理 三条基本原则和方法： 哈夫曼（Huffman）压缩定理 Amdahl定律 程序访问的局部性规律 * 哈夫曼压缩原理 对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。 这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能 * Amdahl定律 系统对某一部件采用某种更快执行方式所能获得的系统性能改进程序，取决于这种执行方式被使用的频率，或所占总执行时间的比例。 * Amdahl定律（续） * Amdahl例1.1 假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但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 fnew=0.4, rnew=10，根据Amdahl定律 * Amdahl例1.2 采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR的操作对系统的性能影响较大。 假设FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。一种实现方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。 另一种实现方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，还假设FP指令占整个执行时间的50%。请比较这两种设计方案。 * Amdahl例1.2 解：分别计算出这两种设计方案所能得到的加速比： * 例1.3 如果FP操作的比例为25%，FP操作的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI为1.33，FPSQR操作的比例为2%， FPSQR的CPI为20。 假设有两种设计方案，分别把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI减为2。试利用CPU性能公式比较这两种设计方案哪一个更好(只改变CPI而时钟频率和指令条数保持不变)。 * 例1.3的解答 解：原系统的CPI=25%×4+75%×1.33=2 方案1（使FPSQR操作的CPI为2）系统 CPI=CPI原 - 2%×(20-2)=2 - 2%×18=1.64 方案2（提高所有FP指令的处理速度）系统 CPI=CPI原 - 25%×(4-2)=2 - 25%×2=1.5 我们也可以根据以下公式计算出方案2系统的CPI CPI= 75%×1.33 + 25%×2=1.5 显然，提高所有FP指令处理速度的方案要比提高FPSQR处理速度的方案要好。方案2的加速比=2/1.5= 1.33 * Amdahl定律（续） 改进好的高性能系统应是一个各部分性能均能平衡的得到提高的系统，不能只是其中某一个功能部件性能的提高 * 程序访问的局部性规律 局部性分时间上的局部性和空间上的局部性 时间局部性：程序中近期被访问的信息项很可能马上将被再次访问。 空间局部性：指那些在访问地址上相邻近的信息项很可能会被一起访问。 存储器体系的构成就是以访问的局部性原理为基础的。 * 计算机系统设计者的主要任务 满足用户对功能上的要求以及相应的价格性能要求 满足功能要求的基础上，进行优化设计 设计应能适应日后的发展趋势 * 计算机系统设计思路 由上往下(Top-down) 由下往上(Bottom-up) 由中间开始(Middle-out) * 由上往下(Top-down) 设计过程：由上向下 面向应用的数学模型 面向应用的高级语言 面向这种应用的操作系统 面向操作系统和高级语言的机器语言 面向机器语言的微指令系统和硬件实现 应用场合：专用计算机的设计（早期计算机的设计） 特点：对于所面向的应用领域，性能和性能价格比很高，应用对象变了，难以适应。 随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用 * 第一步：确定这一级的基本特性 第二步：设计或选择面向这种应用 的高级语言 第三步：设计适于所用高级语言编译 的中间语言 第四步：设计面向这种应用的操作系统 第五步：设计面向所用编译程序和 操作系统的机器语言 第六步：设计面向机器语言的伪指令 机器硬件实现 微程序机器级 传统机器级 操作系统 虚拟机器级 汇编（中间）语言 虚拟机器级 面向应用的高级语言 虚拟机器级 应 用 虚拟机器级 由 上 往 下 设 计 * 由下往上(Bottom-up) 设计过程： 根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级。 根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等。 最后设计面向应用的虚拟机器级。 应用场合：在计算机早期设计中（60～70年代）广为采用 特点： 容易使软件和硬件脱节 软件被动，某些性能指标不确切 整个计算机系统的效率降低。 * 微程序机器级 传统机器级 操作系统 虚拟机器级 汇编（中间）语言 虚拟机器级 面向应用的高级语言 虚拟机器级 应 用 虚拟机