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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,#,1,計算機系統(tǒng)結構,主講：,任國林,Email,：,,2,引 言,一、,計算機系統(tǒng)的性能與結構,1,、計算機系統(tǒng)性能,*系統(tǒng)性能：,指,在,計算機硬件,上,運行的,計算機軟件,的性能,思考,-,我買,計算機,時，關注什么？可以獲得哪些數(shù)據(jù)？,*,性能指標：,處理,能力,響應時間、,吞吐率,(MIPS,或,MFLOPS),等,其它能力,正確性、兼容性、,RAS,(,可靠性,/,可用性,/,可維護性,),等,思考：,參數(shù),(,主頻,/,主存容量,/FSB,頻率,/,顯卡,),與處理能力關系？,思考：,品牌與其它

2、能力關系？,思考：,我選擇機型及品牌時，如何決策？,3,聯(lián)想,G40-80（i5 5200U）,CPU,系列,Intel,酷睿,i5 5,代,內(nèi)存容量,4GB（4GB1）,CPU,型號,Intel,酷睿,i5 5200U,內(nèi)存類型,DDR3,CPU,主頻,2.2GHz,插槽數(shù)量,2,SO-DIMM,(,/,DIMM),最高睿頻,2700MHz,最大內(nèi)存容量,16GB,三級緩存,4MB,硬盤容量,500GB,(+,固態(tài),HD,),總線規(guī)格,DMI,5GT/s,顯卡芯片,AMD Radeon R5 M230,核心架構,Broad well,顯存容量,2GB,核心,/,線程數(shù),雙核心,/,四線程,顯

3、存類型,DDR3,制程工藝,14nm,顯存位寬,64bit,指令集,AVX2,，,64bit,流處理器數(shù)量,320,功耗,15W,Direct X,11.2,I/O,接口,USB,、,VGA,、,HDMI,、,RJ45,(,內(nèi)部,PCI-E/S-ATA),計算機硬件參數(shù),DMI,直接媒體接口,(,Direct Media Interface,),，,GT/s,千兆次傳輸,/,秒,AVX,高級矢量擴展,(,Advanced Vector Extensions,),，,是,SSE(,流式,SIMD,擴展,),的擴展,4,2,、,計算機系統(tǒng),結構,*計算機,換代,標志：,器件、技術、結構等的飛躍,*

4、系統(tǒng)效率與結構關聯(lián)：,系統(tǒng),效率,器件,效率,結構,效率,例：,1965,1975,年，系統(tǒng)效率提高,100,倍，器件速度僅提高,10,倍；,Pentium-,200,、,P-,233,的,iCOMP 2.0,分別為,142,、,267,(iCOMP,intel COmparative Microprocessor Performance,，,Intel,微處理器性能比較指數(shù),),*系統(tǒng)結構研究內(nèi)容：,劃分軟,/,硬件功能界面，研究新的,結構與技術,思考,-,我設計某計算機系統(tǒng)時，如何劃分軟,/,硬件界面？,如何組織硬件功能？如何評價所設計方案？,（本課程的主要內(nèi)容）,5,二、課程目標,1,、

5、課程目標,(1),計算機系統(tǒng)結構的研究,掌握系統(tǒng)結構,的概念、內(nèi)容,及設計原理；,掌握系統(tǒng)結構相關內(nèi)容的技術、分析及優(yōu)化設計方法；,了解系統(tǒng)結構的性能設計原理及最新,技術,(2),計算機并行處理技術的研究,流水線技術的分析及設計；,互連網(wǎng)絡,技術分析；,并行處理機及多處理機技術,分析,6,2,、課程學習方法,(1),從,系統(tǒng)設計者,角度，,分析和評價系統(tǒng),結構,掌握系統(tǒng)結構相關內(nèi)容對系統(tǒng)性能的,影響,；,掌握系統(tǒng)結構相關內(nèi)容的,性能分析方法,(2),通過,剖析,PC,機相關,技術,，掌握系統(tǒng)結構設計,方法,掌握系統(tǒng)結構基本內(nèi)容的,相關技術,及,設計方法,；,掌握系統(tǒng)結構,優(yōu)化設計,及,并行處理

6、技術,系統(tǒng),結構的分析、設計和優(yōu)化,方法,是本課程的重點！,3,、參考教材,1,計算機系統(tǒng)結構教程,(,第,3,版,),，,張晨曦等,，清華大學出版社,2,計算機系統(tǒng)結構：一種定量的方法,(,第,2,版,),，,鄭緯民,等譯，,清華大學出版社,7,第一章 系統(tǒng)結構基礎,8,第,1,節(jié),系統(tǒng)結構的基本概念,一、,計算機系統(tǒng)的層次結構,軟硬件,交界面,L6,：應用語言級,L5,：高級語言級,L4,：匯編語言級,L3,：操作系統(tǒng)級,L2,：機器語言級,L1,：微程序機器級,L0,：電子線路,硬件,固件,軟件,虛擬機器,實際機器,翻譯（應用程序包）,翻譯（編譯程序）,翻譯（匯編程序）,解釋,硬件直接執(zhí)

7、行,部分解釋,計算機語言實現(xiàn)技術,9,二、,計算機系統(tǒng)的設計思路,*由,上向下,方法：,軟件硬件,，適合專用機的,設計,特點,周期長,(,好幾年,),，忌,需求變化,，,不能利用,最新軟件技術,形成軟、硬脫節(jié),*由,下向上,方法：,硬件軟件,，適合通用機的設計,特點,周期長,(,好幾年,),，不能利用,最新硬件技術,，,軟件效率,低,形成,軟、硬脫節(jié),*從,中間開始,方法：,首先設計軟,/,硬件交界面,特點,周期短,(,約,1/2),，,能夠利用,最新軟、硬件技術,主流設計方法,要求,不斷,進行交互、優(yōu)化,設計,需好的,評價,工具及方法,設計人員技術要全面,10,三、,計算機系統(tǒng),結構的概念,

8、*,問題,：,不同語言層次的程序員，看到的系統(tǒng),結構不同！,1,、系統(tǒng)結構定義,(1),基本定義,程序員,所看到的計算機的屬性，即概念性結構和功能特性,(2),精確定義,-Amdahl,提出,機器語言程序員,或,編譯程序編寫者,所看到的計算機的,屬性,概念性結構,功能特性,系統(tǒng)軟,、硬件功能,界面的組成,界面功能的分配或組織,(,其上用軟件實現(xiàn)、其下用硬件實現(xiàn),),*,實質(zhì)：,研究,軟、硬件間的,界面定義,及,其上下的功能分配,11,2,、系統(tǒng),結構,的研究內(nèi)容,CPU,鍵盤接口,鍵盤,顯卡,顯示器,MEM,磁盤接口,磁盤,機器語言級機器,指令系統(tǒng),程序員看到的屬性,進程管理程序,作業(yè)管理程序

9、,文件管理程序,存儲管理程序,設備管理程序,信息保護,操作系統(tǒng)級機器,注：,作業(yè)管理含,用戶,界面操作處理,輸入設備觸發(fā)程序執(zhí)行,回下頁,回,13,頁,*相鄰兩級,機器的,關聯(lián)：,12,數(shù)據(jù),表示,硬件能直接識別和處理的,數(shù)據(jù)類型,尋址方式,最小尋址單元、,尋址種類及規(guī)則,(,地址運算,),寄存器,組織,寄存器的種類、數(shù)量和使用方式,指令系統(tǒng),機器指令的類型、格式，指令間排序及,控制,*系統(tǒng)結構的研究內(nèi)容：,指令系統(tǒng),程序員,看,到,的屬性,信息保護,機器狀態(tài),存儲系統(tǒng),I/O,系統(tǒng),中斷系統(tǒng),存儲系統(tǒng),主存,編址單位、可編址空間，容量等,I/O,結構,I/O,設備連接方式、數(shù)據(jù),傳送,方式及

10、格式、,I/O,操作 狀態(tài),表示,等,中斷系統(tǒng),中斷的類型、中斷響應的硬件功能,等,機器,工作狀態(tài)定義和切換,系統(tǒng)態(tài),/,用戶態(tài)的組織與,管理,信息,保護,保護方式、硬件支持,等,轉上頁,13,轉,10,頁,3,、結構與組成及實現(xiàn)的關系,*計算,機組,成：,計算機系統(tǒng),的設計人員,看到的基本,屬性,研究,內(nèi)容,數(shù)據(jù),通路寬度、專用部件設計,、功能部件,并行度、控制機構,組成、,排隊與緩沖技術、預估與預判技術、可靠性技術,等,實質(zhì),系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn),（合理實現(xiàn),分配給硬件的,功能）,*,計算機實現(xiàn)：,計算機實現(xiàn)時的基本屬性,實質(zhì),計算,機組成的物理,實現(xiàn),(,研究器件與微組裝技術,),例,：,

11、系統(tǒng)結構 計算機組成,計算機,實現(xiàn),乘法功能,是否有乘法指令 乘法器,/,加法,+,移位,芯片機電路,主存系統(tǒng),容量、編址方式 速度、措施 器件、電路,總線系統(tǒng),帶寬、時延 線數(shù)、傳輸控制 介質(zhì)、線距,*,結構、組成、實現(xiàn)的關系,：,1:n,1:,m,結構,組成 實現(xiàn),14,四、,系統(tǒng)結構的分類,1,、弗林分類法,*分類原理：,按,指令流,和,數(shù)據(jù)流,的,多倍性分類,*類型：,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,

12、ISn,MMm,MM1,PU1,PUn,CU1,CUn,MIMD,DS1,IS1,IS1,ISn,DSn,ISn,MMm,MM1,PU1,PUn,CU1,CUn,*,特點：,性能依次提高，,對流水線處理機分類不,明確,15,2,、漢德勒分類法,*分類原理：,在,3,個層次，按,并行程度及,流水處理,程度,分類,層次,PCU,（處理器或宏流水）,K,級,ALU,（算邏部件或指令流水）,D,級,BLC,（位級電路或操作流水）,W,級,描述,T(C),其中：,K,為,PCU,數(shù)、,K,為宏流水級數(shù),(PCU,數(shù),),，,K,K,D,為每個,PCU,中,ALU,數(shù)、,D,為指令流水級數(shù),(ALU,數(shù),

13、),，,W,為,ALU,或,PE,字長，,W,為操作流水線級數(shù),(ELC,套數(shù),),*,特點：,對并行及流水線的程度有清晰的描述,注：,流水屬并行的一種類型，但有所不同；,并行程度越好，性能越高,16,3,、按控制方式,分類,*分類原理：,按程序執(zhí)行的控制方式分類,*分類結果：,共有,4,種類型,控制流,方式,指令按邏輯順序,執(zhí)行,(,如馮,諾依曼模型,),數(shù)據(jù)流,方式,只要操作數(shù)到位，指令即可執(zhí)行，,指令無序,執(zhí)行,(,，源目的求解過程,),規(guī)約,方式,當需要該指令結果時,，指令,才會執(zhí)行，,指令無序,執(zhí)行,(,，目的源目的求解過程,),匹配方式,由謂詞,模式匹配，驅動,指令的,執(zhí)行,(,適

14、合,非數(shù)值型數(shù)據(jù)應用,，如智能型計算機,),*,特點：,除控制流方式外，,其它方式并行,程度較好,17,五、,系統(tǒng)結構的設計步驟,1,、需求分析,分析范圍包括：應用,環(huán)境、所用語言種類及特性、對,OS,的特殊要求、所用外設特性、技術經(jīng)濟指標、市場分析,等,2,、需求說明,形成,設計,準則,、功能說明、器件性能說明,等,造價,/,可靠性,/,可擴展性,/,兼容性,/,速度等方面的原則,3,、概念性設計,進行軟、硬件功能分析，確定機器級,界面,4,、具體設計,機器級界面各方面的確切定義，可考慮幾種,方案,5,、反復進行評價及優(yōu)化設計,18,第,2,節(jié),定量分析基礎,一、,計算機的性能指標,回,22

15、,頁,*,計算機的性能,：,正確性、工作能力、可靠性,正確性,指與數(shù)學計算結果的一致性，默認是正確的,工作能力,指系統(tǒng)的速度，分為峰值性能、持續(xù)性能,響應時間：,指,任務從輸入到結果輸出,的,總時間,，,反映,CPU,、,I/O,系統(tǒng)及,OS,等的總體,性能,吞 吐 率：,指單位時間內(nèi)能處理的,作業(yè)或任務數(shù)量,，,反映系統(tǒng)的多任務處理性能,可靠性,用平均無故障時間,(MTTF),表示，影響價格,可用性,=MTTF/(MTTF+MTRF),，,MTRF,為平均修復時間,19,1,、響應時間,*定義：,指,一個任務從輸入到輸出的總時間,T,響應,T,CPU,T,其它,，,T,CPU,T,系統(tǒng),CP

16、U,T,用戶,CPU,I,N,CPIT,C,，,CPI,包含,ALU,、訪問,MEM,及,I/O,端口時間,性能因子,系統(tǒng)屬性,I,N,p,m,k,T,C,指令系統(tǒng)結構,編譯技術,PE,實現(xiàn)與控制技術,Cache,和內(nèi)存層次結構,*,特點：,能夠反映軟硬件系統(tǒng)的,總體性能,，但不易測量,*,影響,CPI,的,因素：,T,CPU,I,N,CPIT,C,I,N,(p,mk)T,C,其中，,p,處理時延,/,指令，,m,訪存次數(shù),/,指令，,k,訪存時延,20,2,、吞吐率,*定義：,指單位時間內(nèi)能夠,處理的任務數(shù)量,T,P,nn,個任務總時間,*,常用標準：,對任務的,定義無法統(tǒng)一,MIPS(,每秒百萬次指令,)-,MIPS,不能反映指令功能強弱，常用相對,MIPS,表示,MFLOPS(,每秒百萬次浮點運算,),MFLOPS,僅,反映,浮點操作,能力，,不同,OP,用正則化法關聯(lián),*,特點：,吞吐率與,I/O,軟硬件,組織、,OS,關系密切；,能夠反映,軟硬件系統(tǒng),對,多任務,的響應能力,21,4,、系統(tǒng)可擴放性,*適用范圍：,多,(,處理,),機系統(tǒng)的并行處理能力評價,衡量方法,-,測量