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百度网站建设要多少钱,中学网站建设工作实施方案,新手站长做装修网站,9个做简历的网站文章目录第一章 计算机系统结构基本概念1.1 计算机系统结构的概念1.2 计算机体系结构的发展1.3 系统结构中并行性的发展1.4 系统结构的设计1.5 定量分析技术基础第一章 计算机系统结构基本概念 课程内容 A I P S N 工业革命 1.1 计算机系统结构的概念 引言 第一台通用计算机 … 文章目录第一章 计算机系统结构基本概念1.1 计算机系统结构的概念1.2 计算机体系结构的发展1.3 系统结构中并行性的发展1.4 系统结构的设计1.5 定量分析技术基础第一章 计算机系统结构基本概念 课程内容 A I P S N 工业革命 1.1 计算机系统结构的概念 引言 第一台通用计算机 1946两个方面制造技术、体系结构计算机系统结构architecture 程序员所看到的计算机属性即概念性结构与功能特性指令系统结构、组成、硬件计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性即硬件子系统的概念结构及其功能特性是计算机软硬件的交界面计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性实质确定软硬件界面 计算机组成计算机系统结构的逻辑实现研究任务软硬件功能分配、软硬件界面的确定系列机相同系统结构不同组成和实现 层次结构 计算机系统 硬件/固件 软件 固件具有软件功能的硬件 计算机语言角度把计算机系统按功能划分成多级层次结构每一层以一种语言为特征 物理机: 由硬件/固件实现虚拟机由软件实现某些操作可以由硬件或固件实现低层机器属性对高层机器程序员透明 机器级的实现翻译、解释慢占用内存少 分类 Flynn分类法 分类标准指令流和数据流的多倍性 多倍性在系统最受限的部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目 SISDSIMDMISDMIMD基本结构 IS指令流DS数据流CS控制流CU控制部件PU处理部件MM、SM存储器 冯氏分类法 分类标准最大并行度 最大并行度计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数字宽*字数平均并行度取决于系统的运用程度与应用程序有关 每个时钟周期同时处理的二进制位数为 PiT 个时钟周期 平均并行度 Pa∑i1TPiTP{a}\frac{\sum{i1}^{T} P{i}}{T}Pa​T∑i1T​Pi​​平均利用率 μPaPm∑i1TPiTPm\mu\frac{P{a}}{P{m}}\frac{\sum{i1}^{T} P{i}}{T P{m}}μPm​Pa​​TPm​∑i1T​Pi​​ 字串位串n1m1 每次只对一个字的一位进行处理第一代计算机字串位并n1m1 同时处理单个字的多个位单处理机如16位、32位等字并位串n1m1 同时处理多个字的同一位位片字并位并n1m1 同时处理多个字的多个位 Handler分类法 分类标准并行度和流水线t(系统型号) (k,d,w) k程序控制部件PCU的个数d算术逻辑部件ALU或处理部件PE的个数w每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路(ELC)的套数 t(系统型号) (kk’,dd’,w*w’) k’宏流水线中程序控制部件的个数d’指令流水线中算术逻辑部件的个数w’操作流水线中基本逻辑线路的套数
1.2 计算机体系结构的发展 存储程序计算机体系结构及其发展 存储程序原理基本点指令驱动冯·诺依曼结构 运算器为中心指令和数据同等对待存储器是按地址访问指令的执行是顺序的指令由操作码和地址码组成指令和数据均以二进制编码表示采用二进制运算 非诺依曼体系结构 数据驱动诺依曼瓶颈中央处理器 CPU 和主存之间只有一条每次只能交换一个字的数据通路优点 支持高度的并行操作VLSI技术提高软件生产能力 缺点 操作开销过大不能有效地利用传统诺依曼体系结构计算机已积累起来的丰富的软件资源 系统结构改进 输入/输出方式 程序控制等待、中断DMA成组传递、周期挪用I/O处理机通道、外围处理机 并行处理技术存储器组织结构的发展指令系统的发展 复杂指令集计算机CISC精减指令集计算机RISC
软件影响可移植性 统一高级语言系列机同一厂家、相同系统结构、不同组成和实现 向上下兼容向前后兼容 向后兼容系列机的根本特征 兼容机不同厂家、相同系统结构 模拟和仿真 在一种系统结构上实现另一种系统结构在一种机器上实现另一种机器的指令集模拟虚拟机 解释实现速度较慢 仿真目标机 比模拟快系统结构差距不大 器件影响 系统结构发展的最活跃因素摩尔定律集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一番 应用影响 系统结构发展的最根本的动力应用需求特殊领域需要高性能的系统结构 1.3 系统结构中并行性的发展 并行性 概念计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作 同时性同一时刻并发性同一时间间隔 并行性等级由低到高 数据处理 字串位串每次只对一个字的一位进行处理字串位并同时处理单个字的多个位字并位串同时处理多个字的同一位位片字并位并全并行同时处理多个字的多个位 执行程序 指令内部并行单条指令中各微操作之间的并行指令级并行并行执行两条或两条以上的指令线程级并行并行执行两个或两个以上的线程任务级或过程级并行并行执行两个或两个以上的过程或任务子程序/进程作业或程序级并行并行执行两个或两个以上的作业或程序 提高并行性技术途径 时间重叠处理过程错开加快硬件周转资源重复重复设置硬件资源资源共享软件方法顺序轮流使用同一套硬件设备 单机系统的并行性 时间重叠主导作用部件功能专用化资源重复多体存储器多操作部件指令级并行阵列处理机资源共享虚拟机分时系统 多机系统的并行性 分类同构型多处理机、异构型多处理机、分布式系统耦合度多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱 紧密耦合系统直接耦合系统总线或高速开关互连共享主存松散耦合系统间接耦合系统通道或通信线路互连共享外存最低耦合除某种中间介质外无连接无共享 功能专用化时间重叠、异构型多处理机机间互连同构型多处理机系统 并行机的发展 并行机的萌芽阶段1964年1975年向量机的发展和鼎盛阶段1976年1990年MPP出现和蓬勃发展阶段1990年1995年各种体系结构并存阶段1995年2000年机群蓬勃发展阶段2000年以后
1.4 系统结构的设计 任务 指令系统的设计、数据表示的设计、功能的组织、逻辑设计以及其物理实现等三个方面 确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求软硬件功能分配平衡设计出生命周期长的系统结构符合发展方向
主要方法 “由上往下”top-down设计 适合于专用机的设计而不适合通用机的设计 “由下往上”bottom-up设计 软件技术为被动状态软硬件脱节系统效率降低现在很少使用 “从中间开始”middle-out设计 中间软硬件的交界面
程序局部性原理 时间局部性即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息空间局部性即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近 设计准则 以经常性事件为重点大概率事件优先原则 优化分配更多资源
Amdahl 定律 系统加速比 SnS_nSn​ 1改进前与改进后总执行时间之比 SnT0Tn11−FeFeSeS_n\frac{T_0}{T_n}\frac{1}{1-F_e\frac{F_e}{S_e}}Sn​Tn​T0​​1−Fe​Se​Fe​​1​ 可改进比例 FeF_eFe​ 1改进前可改进部分执行时间在总执行时间中的占比部件加速比 SeS_eSe​ 1可改进部分改进后性能提高的倍数。改进前执行时间与改进后执行时间的比改进后程序的总执行时间 TnT_nTn​ T0(1−FeFeSe)T_0(1-F_e\frac{F_e}{S_e})T0​(1−Fe​Se​Fe​​) T0T_0T0​ 改进前总执行时间 如果只对整个任务的一部分做改进则改进得越多所得到的总体性能提升就越有限 如果只对整个任务的一部分做改进则加速比不超过 11−Fe\frac{1}{1-Fe}1−Fe​1​ 1.5 定量分析技术基础 性能评测 执行时间、吞吐率用户执行时间单个程序所花的时间数据中心管理员吞吐率单位时间里能够完成的任务CPU时间 CPU执行所给定的程序所花费的时间不包含I/O等待时间以及运行其它程序的时间用户CPU时间用户程序所耗费的CPU时间系统CPU时间用户程序运行期间操作系统耗费的CPU时间
基准测试程序 最佳选择真实应用程序简化程序不可靠 核心测试程序真实程序的关键代码段小测试程序100行以内的小程序合成的测试程序按比例合成 基准测试程序套件真实应用程序构成 分类处理器性能测试程序图形性能测试程序SPEC系列
评价标准 主要性能指标 MIPS每秒百万指令数 MIPSCI执行时间×1061CPI×T×106fCPI×106MIPS \frac{CI}{执行时间 \times 10^6} \frac{1}{CPI \times T \times 10^6} \frac{f}{CPI \times 10^6}MIPS执行时间×106CI​CPI×T×1061​CPI×106f​ MFLOPS每秒百万浮点指令数 MFLOPS浮点操作次数执行时间×106MFLOPS \frac{浮点操作次数}{执行时间 \times 10^6}MFLOPS执行时间×106浮点操作次数​ 执行时间 总执行时间执行所有程序时间的加和加权平均执行时间各个测试程序的算术/加权平均值调和平均值法 加权调和平均值公式 几何平均值法 加权几何平均值
CPU性能 CPU时间执行一个程序所需的CPU时间 CPU时间 执行程序所需的时钟周期数 × 时钟周期时间系统时钟频率的倒数CPU时间 IC × CPI × 时钟周期时间时钟周期时间硬件实现、计算机组成CPI计算机组成、指令系统结构IC指令系统结构、编译技术计算机系统有 n 种指令 时钟周期数 ∑i1n(CPIi×ICi)\sum{i1}^{n}(CPI_i \times ICi)∑i1n​(CPIi​×ICi​)CPU时间 ∑i1n(CPIi×ICi)\sum{i1}^{n}(CPI_i \times ICi)∑i1n​(CPIi​×ICi​) × 时钟周期时间CPI∑i1n(CPIi×ICi)IC∑i1n(CPIi×ICiIC)CPI \frac{\sum{i1}^{n}(CPI_i \times ICi)}{IC} \sum{i1}^{n}(CPI_i \times \frac{IC_i}{IC})CPIIC∑i1n​(CPIi​×ICi​)​∑i1n​(CPIi​×ICICi​​) CPI指令执行的平均时钟周期数 CPI 执行程序所需的时钟周期数 / IC IC执行的指令条数