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news 2025/11/6 1:36:26

中学网站建设工作实施方案,温岭市市住房和城乡建设规划局网站,wordpress 酷炫主题,天津网站建设技术托管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}PaT∑i1TPi平均利用率 μPaPm∑i1TPiTPm\mu\frac{P_{a}}{P_{m}}\frac{\sum_{i1}^{T} P_{i}}{T P_{m}}μPmPaTPm∑i1TPi 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}}SnTnT01−FeSeFe1 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−FeSeFe) 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-F_e}1−Fe1 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×106CICPI×T×1061CPI×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 IC_i)∑i1n(CPIi×ICi)CPU时间 ∑i1n(CPIi×ICi)\sum_{i1}^{n}(CPI_i \times IC_i)∑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 IC_i)}{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
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