计算机系统结构(第二版)尹朝庆主编-第1章_计算机系统结构导论精选.pptVIP

第1章 计算机系统结构导论 为了提高系统的可靠性，开始由单机系统的部件级冗余上升到处理机一级的冗余，设置多台相同类型的计算机构成容错多处理机系统。继而提高机间互连网络的灵活性和可重构性，发展为可重构系统。现在更多的是通过进一步改进多处理机间的互连网络，使之具有实现进程或程序一级的高速并行处理能力来提高整个系统的速度，演变成各种紧密耦合系统。为使并行处理的任务能在处理机之间随机地进行调度，必须使各个处理机具有同等的功能，这样就发展成同构型的多处理机系统。 要实现远距离多台计算机之间的资源共享，只有网络化，将通信功能从主机中分离出来，由专用通信处理机完成。计算机网络按其通信距离可划分为远程网（WAN）和局域网（LAN）。 远程网距离远，通信速率较低。局域网距离近，通信速率高。局域网成为分布处理系统发展的基础。 表1.1 三种类型多处理机比较 快速、灵活、 简单、通用 专用性 快速性、灵活性、 可重构性 对互连网络的要求 松散、紧密耦合 松散耦合 紧密耦合 耦合度 分布控制方式 采用专用控制方式 常采用浮动控制方式 控制形式 一个作业由一台处 理机完成，必要时 才请求它机协作 一个作业由多机 协同串行地完成 一个作业由多机 协同并行地完成 工作方式 硬件、软件、数据 等各种资源分布 功能分布 任务分布 分工方式 不限制 不同类型 （不同功能） 同类型 （同等功能） 组成 资源共享 （网络化） 时间重叠 （功能专用化） 资源重复 （机间互连） 技术途径 兼顾效率与性能 提高系统使用效率 提高系统性能 （可靠性、速度） 目的 分布处理系统 异构型多处理机 同构型多处理机 项目 1.3 计算机系统的分类 １. Flynn 分类法 Michael.J.Flynn于1966年提出按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类的方法。指令流是指机器执行的指令序列。数据流是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。多倍性是指在系统瓶颈部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。 Flynn分类法按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统的结构分为４类。 （１）单指令流单数据流（SISD） （２）单指令流多数据流（SIMD） （３）多指令流单数据流（MISD） （４）多指令流多数据流（MIMD） 2. 冯氏分类法 1972年，美籍华人冯泽云提出用最大并行度对计算机系统结构进行分类。所谓最大并行度Pm是指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。平均并行度取决于系统的运用程度，它与应用程序有关。最大并行度Pm定量地反映了对数据处理的并行性。 Pm=n ? m 式中，n 表示同时处理时一个字中的二进制位数；m 表示能同时处理的字数。 按计算机对数据处理方式，由Pm值可得下列４种计算机系统结构类型。 字串位串（WSBS） 字串位并（WSBP） 字并位串（WPBS） 字并位并（WPBP） 1.4 计算机性能的评价 1.4.1 计算机系统设计和测评的基本原则 １. 经常性事件优先原则 经常性事件优先原则的基本思想是：对于经常发生的事件，赋予它优先的处理权和资源使用权，加快它的处理速度，可以提高整个系统的性能。 ２．Amdahl定律 Amdahl 定律指出：系统中某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在系统中使用频率或占总执行时间的比例有关。 Amdahl定律定义了加速比的概念。假设对机器进行某种改进，那么机器系统的加速比就是： 系统加速比依赖于两个因素： （1）可改进部分在原系统执行时间中所占的比例。用“可改进比例(Fe)”表示，Fe总是小于或等于１的。 （2）可改进部分改进以后的性能提高。用“部件加速比（Se）”表示性能提高比．一般Se是大于１的。 由此，得到下列结论； （1）改进后系统的总执行时间Tn 式中，To为改进前系统的总执行时间。 （2）改进前后整个系统的加速比Sn 式中，(1－Fe ) 表示不可改进比例，当Fe＝0无改进部分时，Sn＝1，所以系统性能提高幅度受改进部分所占比例限制。 当Se →∞时，有Sn＝1/ (1－Fe )。得到Amdahl定律的一个重要推论：若只针对整个系统的一部分进行优化，则系统获取的性能改善极限值受Fe的约束，系统加速比不大于1/ (1－Fe )。 ［例1.1］设系统中某部件原处理时间