计算机体系结构第1章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/77,第,1,章 计算机系统结构的基本概念,张晨曦 刘依,www.,GotoSchool,.net,xzhang2000,1.1,引言,1.2,计算机系统结构的概念,1.3,定量分析技术,1.4,计算机系统结构的发展,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,第一台通用电子计算机诞生于,1946,年,计算机技术的飞速发展得益于两个方面,计算机制造技术的发展,计算机系统结构的创新,经历了,4,个发展过程,1.1,引 言,时 间,原 因,每年的性能增长,1946,年起的,25,年,两种因素都起着主要的作用,25%,20,世纪,70,年代末,80,年代初,大规模集成电路和微处理器,出现,以集成电路为代表的制,造技术的发展,约35%,20,世纪,80,年代中开始,RISC,结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展,50%,以上,维持了约,16,年,2002,年以来,3,个（见下页）,约20%,1.1,引言,1.1,引言,功耗问题（已经很大）。,可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少。,存储器访问速度的提高缓慢。,1.1,引言,系统结构的重大转折：,从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。,计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。,计算机系统,硬件,/,固件,软件,计算机语言从低级向高级发展,高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，,更便于应用，但又都以低级语言为基础。,从计算机语言的角度，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,1.2,计算机系统结构的概念,1.2.1,计算机系统的层次结构,软件,硬件或固件,1.2,计算机系统结构的概念,虚拟机,：由软件实现的机器,语言实现的两种基本技术,翻译：,先把,N,+1,级程序全部转换成,N,级程序后，再去执行新产生的,N,级程序，在执行过程中,N,+1,级程序不再被访问。,解释：,每当一条,N,+1,级指令被译码后，就直接去执行一串等效的,N,级指令，然后再去取下一条,N,+1,级的指令，依此重复进行。,解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。,1.2,计算机系统结构的概念,计算机系统结构的经典定义,程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。,按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。,透明性,在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。,1.2.2,计算机系统结构的定义,1.2,计算机系统结构的概念,Amdahl,提出的,系统结构,传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。,广义的系统结构定义：指令集结构、组成、硬件,（计算机设计的,3,个方面）,对于通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指：,指令系统,包括机器指令的操作类型和格式、指令间的,排序和控制机构等。,数据表示,硬件能直接识别和处理的数据类型。,寻址规则,包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。,1.2,计算机系统结构的概念,寄存器定义,（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）,中断系统,（中断的类型和中断响应硬件的功能等）,机器工作状态的定义和切换,（如管态和目态等）,存储系统,（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）,信息保护,（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）,1.2,计算机系统结构的概念,I/O,结构,包括,I/O,连结方式、处理机,/,存储器与,I/O,设备之间,数据传送的方式和格式以及,I/O,操作的状态等,计算机系统结构概念的实质：,确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实,现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。,1.2.3,计算机组成和计算机实现,计算机系统结构：,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。,1.2,计算机系统结构的概念,计算机组成：,计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及,逻辑设计等。,着眼于：,物理机器级内各事件的排序方式与控制,方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。,计算机实现：,计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集,成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，,信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。,着眼于：,器件技术（起主导作用）、微组装技术。,1.2,计算机系统结构的概念,一种体系结构可以有多种组成。,一种组成可以有多种物理实现。,系列机,由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有,不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。,例如，,IBM,公司的,IBM 370,系列，,Intel,公司的,x86,系列等。,1.2.4,计算机系统结构的分类,常见的计算机系统结构分类法有两种：,Flynn,分类法、冯氏分类法,1.2,计算机系统结构的概念,冯氏分类法,用系统的最大并行度对计算机进行分类。,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。,用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系,统，其横坐标表示字宽（,n,位,），纵坐标表示一次能同,时处理的字数（,m,字,）。,m,n,就表示了其最大并行度。,Flynn,分类法,按照指令流和数据流的多倍性进行分类。,指令流：,计算机执行的指令序列。,1.2,计算机系统结构的概念,数据流：,由指令流调用的数据序列。,多倍性：,在系统受限的部件上，同时处于同一执,行阶段的指令或数据的最大数目。,Flynn,分类法把计算机系统的结构分为,4,类：,单指令流单数据流,(SISD),单指令流多数据流,(SIMD),多指令流单数据流,(MISD),多指令流多数据流,(MIMD),4,类,计算机的基本结构,IS,：,指令流，,DS,：,数据流，,CS,：,控制流，,CU,：,控制部件，,PU,：,处理部件，,MM,和,SM,：,存储器。,4,个,定量原理：,以经常性事件为重点,对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选,择，以得到更多的总体上的改进。,优化,是指分配更多的资源、达到更高的性能或,者分配更多的电能等。,1.3,定量分析技术,1.3.1,计算机系统设计的定量原理,1.3,定量分析技术,Amdahl,定律,加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速,比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间,的百分比。,系统性能加速比：,加速比,系统性能,改进后,系统性能,改进前,总执行时间,改进前,总执行时间,改进后,1.3,定量分析技术,加速比依赖于两个因素,可改进比例：,在改进前的系统中，可改进部分的执,行时间在总的执行时间中所占的比例。,它总是小于等于,1,。,例如：,一个需运行,60,秒的程序中有,20,秒的运算可以加速，,那么这个比例就是,20/60,。,部件加速比：,可改进部分改进以后性能提高的倍数。,它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。,一般情况下部件加速比是大于,1,的。,例如：,若系统改进后，可改进部分的执行时间是,2,秒，,而改进前其执行时间为,5,秒，则部件加速比为,5/2,。,1.3,定量分析技术,改进后程序的总执行时间,总执行时间,改进后,不可改进部分的执行时间 可改进部分改进后的执行时间,总执行时间,改进后,(1,可改进比例,),总执行时间,改进前,+,(1,可改进比例,)+,总执行时间,改进前,可改进比例,部件加速比,可改进比例,总执行时间,改进前,部件加速比,1.3,定量分析技术,系统加速比,为改进前与改进后总执行时间之比,加速比,总执行时间,改进前,总执行时间,改进后,（,1,可改进比例）,+,可改进比例,部件加速比,1,1.3,定量分析技术,例,1.1,将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的,20,倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的,40%,，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？,解,由题可知，可改进比例,=40%=0.4,，,部件加速比,=20,根据,Amdahl,定律可知：,采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原来的,1.613,倍,。,总,加速比,=,1,0.6+,0.4,20,=1.613,1.3,定量分析技术,例,1.2,某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的,20,倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的,5,倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。,解,由题可知，部件加速比,=20,，系统加速比,=5,根据,Amdahl,定律可知,由此可得：可改进比例,=84.2%,即程序中浮点操作所占的比例为,84.2%,。,1.3,定量分析技术,Amdahl,定律,：,一种性能改进的递减规则,如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改,进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。,重要推论：,如果只针对整个任务的一部分进行改,进和优化，那么所获得的加速比不超过,1/,（,1,可改进比例）,1.3,定量分析技术,CPU,性能公式,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,其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。,每条指令执行的平均时钟周期数,CPI,（,Cycles Per Instruction,）,CPI,=,执行程序所需的时钟周期数,IC,IC,：,所执行的指令条数,程序执行的,CPU,时间可以写成,CPU,时间,=,IC CPI,时钟周期时间,1.3,定量分析技术,CPU,的性能取决于,3,个参数,时钟周期时间：,取决于硬件实现技术和计算机组成。,CPI,：,取决于计算机组成和指令集结构。,IC,：,取决于指令集结构和编译技术。,对,CPU,性能公式进行进一步细化,假设：计算机系统有,n,种指令；,CPI,i,：,第,i,种指令的处理时间；,IC,i,：,在程序中第,i,种指令出现的次数；,则,CPU,时钟周期数,=,(,CPI,i,IC,i,),n,i,=1,1.3,定量分析技术,CPU,时间,=,执行程序所需的时钟周期数,时钟周期时间,=,（,CPI,i,IC,i,）,时钟周期时间,CPI,可以表示为,CPI,=,其中，,(,IC,i,/IC,),反映了第,i,种指令在程序中所占的比例。,i,=1,n,时钟周期数,IC,（CPI,i,IC,i,）,i,=1,n,IC,（,CPI,i,）,i,=1,n,IC,i,IC,1.3,定量分析技术,例,1.3,考虑条件分支指令的两种不同设计方法：,（,1,）,CPU,A,：,通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。,（,2,）,CPU,B,：,在分支指令中包括比较过程。,在这两种,CPU,中，条件分支指令都占用,2,个时钟周期，而所有其他指令占用,1,个时钟周期。对于,CPU,A,，,执行的指令中分支指令占,20%,；由于每条分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占,20%,。由于,CPU,A,在分支时不需要比较，因此,CPU,B,的时钟周期时间是,CPU,A,的,1.25,倍。问：哪一个,CPU,更快？如果,CPU,B,的时钟周期时间只是,CPU,A,的,1.1,倍，哪一个,CPU,更快呢？,1.3,定量分析技术,解,我们不考虑所有系统问题，所以可用,CPU,性能公式。占用,2,个时钟周期的分支指令占总指令的,20%,，剩下的指令占用,1,个时钟周期。所以,CPI,A,=0.2,2+0.80,1=1.2,则,CPU,A,性能为,总,CPU,时间,A,=IC,A,1.2,时钟周期,A,根据假设，有,时钟周期,B,=1.25,时钟周期,A,在,CPU,B,中没有独立的比较指令，所以,CPU,B,的程序量为,CPU,A,的,80%,，分支指令的比例为,1.3,定量分析技术,20%/80%=25%,这些分支指令占用,2,个时钟周期，而剩下的,75%,的指令占用,1,个时钟,周期，因此,CPI,B,=0.25,2+0.75,1=1.25,因为,CPU,B,不执行比较，故,IC,B,=0.8,IC,A,因此,CPU,B,性能为,总,CPU,时间,B,=IC,B,CPI,B,时钟周期,B,=0.8,IC,A,1.25,（,1.25,时钟周期,A,）,=1.25,IC,A,时钟周期,A,1.3,定量分析技术,在这些假设之下，尽管,CPU,B,执行指令条数较少，,CPU,A,因为有着更,短的时钟周期，所以比,CPU,B,快。,如果,CPU,B,的时钟周期时间仅仅是,CPU,A,的,1.1,倍，则,时钟周期,B,=1.10,时钟周期,A,CPU,B,的性能为,总,CPU,时间,B,=IC,B,CPI,B,时钟周期,B,=0.8,IC,A,1.25,（,1.10,时钟周期,A,）,=1.10,IC,A,时钟周期,A,因此,CPU,B,由于执行更少指令条数，比,CPU,A,运行更快。,1.3,定量分析技术,程序的局部性原理,程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机,的，而是相对地簇聚。,常用的一个经验规则,程序执行时间的,90%,都是在执行程序中,10%,的代码。,程序的时间局部性,程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。,程序的空间局部性,程序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。,1.3,定量分析技术,执行时间和吞吐率,如何评测一台计算机的性能，与测试者看问题,的角度有关。,用户关心的是：,单个程序的,执行时间,（执行单个,程序所花的时间很少）,数据处理中心的管理员关心的是：,吞吐率,（在单,位时间里能够完成的任务很多）,1.3.2,计算机系统的性能评测,1.3,定量分析技术,假设两台计算机为,X,和,Y,，,X,比,Y,快,的意思是：,对于给定任务，,X,的执行时间比,Y,的执行时间少。,X,的性能是,Y,的,n,倍，即,而执行时间与性能成反比，即,执行时间,Y,执行时间,X,=,n,n,=,执行时间,Y,执行时间,X,性能,Y,1,性能,X,1,性能,X,性能,Y,1.3,定量分析技术,执行时间可以有多种定义：,计算机完成某一任务所花费的全部时间，包括,磁盘访问、存储器访问、输入,/,输出、操作系统开销等。,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他程序的时间。,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。,1.3,定量分析技术,基准测试程序,用于测试和比较性能的基准测试程序的最佳选择是,真实应用程序。,（例如编译器）,以前常采用简化了的程序，例如：,核心测试程序：,从真实程序中选出的关键代码段构,成的小程序。,小测试程序：,简单的只有几十行的小程序。,合成的测试程序：,人工合成出来的程序。,Whetstone,与,Dhrystone,是最流行的合成测试程序。,从测试性能的角度来看，上述测试程序就不可信了。,1.3,定量分析技术,原因：,这些程序比较小，具有片面性；,系统结构设计者和编译器的设计者可以“合谋”把他,们的计算机面向这些测试程序进行优化设计，使得,该计算机显得性能更高。,性能测试的结果除了和采用什么测试程序有关以,外，还和,在什么条件下进行测试,有关。,基准测试程序设计者对制造商的要求,采用同一种编译器；,对同一种语言的程序都采用相同的一组编译标志。,1.3,定量分析技术,一个问题：,是否允许修改测试程序的源程序,三种不同的处理方法：,不允许修改。,允许修改，但因测试程序很复杂或者很大，几乎是,无法修改。,允许修改，只要保证最后输出的结果相同。,基准测试程序套件：,由各种不同的真实应用程序,构成。,（能比较全面地反映计算机在各个方面的处理性能）,SPEC,系列：,最成功和最常见的测试程序套件,（美国的标准性能评估公司开发）,1.3,定量分析技术,台式计算机的基准测试程序套件可以分为两大类：,处理器性能测试程序，图形性能测试程序,SPEC89,：,用于测试处理器性能。,10,个程序（,4,个整数程,序，,6,个浮点程序）,演化出了,4,个版本,SPEC92,：,20,个程序,SPEC95,：,18,个程序,SPEC2000,：,26,个程序,SPEC CPU2006,：,29,个程序,SPEC CPU2006,1.3,定量分析技术,整数程序,12,个（,CINT2006,）,9,个是用,C,写的，,3,个是用,C+,写的,浮点程序,17,个（,CFP2006,）,6,个是用,FORTRAN,写的，,4,个是用,C+,写的，,3,个,是用,C,写的，,4,个是用,C,和,FORTRAN,混合编写的。,SPEC,测试程序套件中的其他一系列测试程序组件,SPECSFS,：,用于,NFS,（,网络文件系统）文件服务器的测,试程序。它不仅测试处理器的性能，而且测试,I/O,系统,的性能。它重点测试吞吐率。,SPECWeb,：,Web,服务器测试程序。,1.3,定量分析技术,SPECviewperf,：,用于测试图形系统支持,OpenGL,库,的性能。,SPECapc,：,用于测试图形密集型应用的性能。,事务处理（,TP,）,性能测试基准程序：,用于测试计算机在事务处理方面的能力，包括数据库访问,和更新等。,20,世纪,80,年代中期，一些工程师成立了称为,TPC,的独立组织。目的是开发用于,TP,性能测试的真实而又公平的基准程序。,先后发布了多个版本：,TPC-A,、,TPC-C,、,TPC-H,、,TPC-W,、,TPC-App,等,（主要是用于测试服务器的性能 ）,1.3,定量分析技术,用于测试基于,Microsoft,公司的,Windows,系列操作,系统平台的测试套件,PCMark04,：,中央处理器测试组、内存测试组、图形芯片测试组、硬盘测试组等。,Business,Winstone,2004,：,主要用于测试计算机系统,商业应用的综合性能。,Multimedia Content Creation,Winstone,2004,：,主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能。,SiSoft,Sandra Pro 2004,：,一套功能强大的系统分析,评比工具，拥有超过,30,种以上的分析与测试模块。,主要包括：,CPU,、,存储器、,I/O,接口、,I/O,设备、主板等。,性能比较,A,机,B,机,C,机,W,（1）,W,（2）,W,（3）,程序,1,1.00,10.00,20.00,0.50,0.909,0.999,程序,2,1000.00,10.00,20.00,0.50,0.091,0.001,加权算术,平均值,A,m,（,1,）,500.50,10.00,20.00,加权算术,平均值,A,m,（,2,）,91.91,10.00,20.00,加权算术,平均值,A,m,（,3,）,2.00,10.00,20.00,两个程序,在,A,、,B,、,C,三台计算机上的执行时间,1.3,定量分析技术,如何比较这,3,台计算机的性能呢？,从该表可以得出：,执行程序,1:,A,机,的速度是,B,机,的,10,倍,A,机,的速度是,C,机,的,20,倍,B,机,的速度是,C,机,的,2,倍,执行程序,2:,B,机,的速度是,A,机,的,100,倍,C,机,的速度是,A,机,的,50,倍,B,机,的速度是,C,机,的,2,倍,1.3,定量分析技术,总执行时间：,计算机执行所有测试程序的总时间,B,机,执行程序,1,和程序,2,的速度是,A,机,的,50.05,倍,C,机,执行程序,1,和程序,2,的速度是,A,机,的,24.02,倍,B,机,执行程序,1,和程序,2,的速度是,C,机,的,2,倍,平均执行时间：,各测试程序执行时间的算术平均值,其中,，,T,i,：第,i,个测试程序的执行时间,n,：,测试程序组中程序的个数,1.3,定量分析技术,加权执行时间：,各测试程序执行时间的加权平均值,其中，,W,i,：第,i,个测试程序在测试程序组中所占的比重,T,i,：,该程序的执行时间,1.4,计算机系统结构的发展,1.4.1,冯,诺依曼结构,存储程序计算机的结构,1.4,计算机系统结构的发展,存储程序原理的基本点：,指令驱动,程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启,动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，,自动完成由程序所描述的处理工作。,冯,诺依曼结构的,主要特点,以运算器为中心。,在存储器中，指令和数据同等对待。,指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程,序是可以修改的。,存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结,构，每个单元的位数是固定的。,1.4,计算机系统结构的发展,指令的执行是顺序的。,一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行。,程序的分支由转移指令实现。,由指令计数器,PC,指明当前正在执行的指令在存储器,中的地址。,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。,1.4,计算机系统结构的发展,对系统结构进行的改进,输入,/,输出方式的改进,采用并行处理技术,如何挖掘传统机器中的并行性？,在不同的级别采用并行技术。,例如，微操作级、指令级、线程级、进程级、任务级等。,1.4,计算机系统结构的发展,存储器组织结构的发展,相联存储器与相联处理机,通用寄存器组,高速缓冲存储器,Cache,指令集的发展,两个发展方向：,复杂指令集计算机（,CISC,）,精减指令集计算机（,RISC,）,1.4,计算机系统结构的发展,软件的可移植性：,一个软件可以不经修改或者只,需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。,我们称这两台计算机是,软件兼容,的。,实现可移植性的常用方法,采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言。,1.4.2,软件对系统结构的影响,系列机,由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具,有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。,较好地解决软件开发要求系统结构相对稳定与器,件、硬件技术迅速发展的矛盾。,软件兼容,1.4,计算机系统结构的发展,1.4,计算机系统结构的发展,向上（下）兼容：,按某档机器编制的程序，不加修改,就能运行于比它高（低）档的机器。,向前（后）兼容：,按某个时期投入市场的某种型号机,器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前,（后）投入市场的机器。,向后兼容是系列机的根本特征。,兼容机：,由不同公司厂家生产的具有相同系统结,构的计算机。,1.4,计算机系统结构的发展,模拟和仿真,使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互移植。,在一种系统结构上实现另一种系统结构。,从指令集的角度来看，就是要在一种机器上实现,另一种机器的指令集。,模拟：,用软件的方法在一台现有的机器（称为,宿主机,）上实现另一台机器（称为,虚拟机,）的指令集。,通常用解释的方法来实现。,运行速度较慢，性能较差。,1.4,计算机系统结构的发展,仿真：,用一台现有机器（,宿主机,）上的微程序,去解释实现另一台机器（,目标机,）的指令集。,运行速度比模拟方法的快,仿真只能在系统结构差距不大的机器之间使用,统一高级语言,实现软件移植的一种理想的方法,较难实现,1.4,计算机系统结构的发展,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。,计算机的分代主要以器件作为划分标准。,它们在器件、系统结构和软件技术等方面都有各,自的特征。,SMP,：,对称式共享存储器多处理机,MPP,：,大规模并行处理机,1.4.3,器件发展对系统结构的影响,分代,器件特征,结构特征,软件特征,典型实例,第一代,（,1945,1954,年）,电子管和继电器,存储程序计算机,程序控制,I/O,机器语言,汇编语言,普林斯顿,ISA,，,ENIAC,，,IBM 701,第二代,（,1955,1964,年）,晶体管、磁芯,印刷电路,浮点数据表示,寻址技术,中断、,I/O,处理机,高级语言和编译,批处理监控系统,Univac LAPC，,CDC 1604，,IBM 7030,第三代,（,1965,1974,年）,SSI,和,MSI,多层印刷电路,微程序,流水线、,Cache,先行处理,系列机,多道程序,分时操作系统,IBM 360/370，,CDC 6600/7600，,DEC PDP-8,第四代,（,1975,1990,年）,LSI,和,VLSI,半导体存储器,向量处理,分布式存储器,并行与分布处理,Cray-1，IBM 3090，DEC VAX 9000，Convax-1,第五代,（,1991,年,）,高性能微处理器高密度电路,超标量、超流水,SMP,、,MP,、,MPP,机群,大规模、可扩展,并行与分布处理,SGI Cray T3E,，,IBM SP2,，,DEC,AlphaServer,8400,1.4,计算机系统结构的发展,不同的应用对计算机系统结构的设计提出了不同的要求,应用需求是促使计算机系统结构发展的,最根本的动力,一些特殊领域：需要高性能的系统结构,高结构化的数值计算,气象模型、流体动力学、有限元分析,非结构化的数值计算,蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵,实时多因素问题,语音识别、图像处理、计算机视觉,1.4.4,应用对系统结构的影响,1.4,计算机系统结构的发展,大存储容量和输入输出密集的问题,数据库系统、事务处理系统,图形学和设计问题,计算机辅助设计,人工智能,面向知识的系统、推理系统等,计算机性能随时间下移,1.4,计算机系统结构的发展,系统结构的,生命周期：,从诞生、发展、成熟到消亡,从硬件成熟到系统软件成熟大约需要,5,7,年,的时间,从系统软件成熟到应用软件成熟，大约也需要,5,7,年,时间。,再过,5,7,年,的时间，这种系统结构就不会作为主流系统结构存在了。,Intel,的,x86,系列微处理器中,32,位系统结构的发展,1.4.5,系统结构的生命周期,1.4,计算机系统结构的发展,并行性：,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。,只要在时间上相互重叠，就存在并行性。,同时性：,两个或两个以上的事件在同一时刻发生。,并发性：,两个或两个以上的事件在同一时间间隔,内发生。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,1.5.1,并行性的概念,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,从处理数据的角度来看，,并行性等级,从低到高可分为：,字串位串：,每次只对一个字的一位进行处理。,最基本的串行处理方式，不存在并行性。,字串位并：,同时对一个字的全部位进行处理，不,同字之间是串行的。,开始出现并行性。,字并位串：,同时对许多字的同一位（称为,位片,）,进行处理。,具有较高的并行性。,全并行：,同时对许多字的全部位或部分位进行处理。,最高一级的并行。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：,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。,通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。,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（程序段）,以子程序或进程为调度单元。,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。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,三种途径：,时间重叠,引入时间因素，让多个处理过程在时间上相,互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个,部分，以加快硬件周转而赢得速度。,资源重复,引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置,硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。,1.5.2,提高,并行性的技术途径,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,资源共享,这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间,顺序轮流使用同一套硬件设备。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,在发展高性能单处理机过程中，起主导作用的是时间,重叠原理。,实现时间重叠的基础：,部件功能专用化,把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分；,把每一部分指定给专门的部件完成；,按时间重叠原理把各部分的执行过程在时间上,重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样的工作。,1.5.3,单机系统中,并行性的发展,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,例如：,对于解释指令的,5,个过程，就分别需要,5,个专用的部件：取指令部件,(IF),、,指令译码部件,(ID),、,指令执行部件,(EX),、,访问存储器部件,(M),和,写结果部件,(WB),。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,在单处理机中，资源重复原理的运用也已经十分普遍。,多体存储器,多操作部件,通用部件被分解成若干个专用部件，如加法部件、乘,法部件、除法部件、逻辑运算部件等，而且同一种部,件也可以重复设置多个。,只要指令所需的操作部件空闲，就可以开始执行这条,指令（如果操作数已准备好的话）。,这实现了,指令级并行,。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,阵列处理机（并行处理机）,更进一步，设置许多相同的处理单元，让它们在同,一个控制器的指挥下，按照同一条指令的要求，对向量,或数组的各元素同时进行同一操作，就形成了阵列处理,机。,在单处理机中，资源共享的概念实质上是用单处理机,模拟多处理机的功能，形成所谓,虚拟机,的概念。,分时系统,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理，发展为,3,种不同的多处理机：,同构型多处理机、异构型多处理机、分布式系统,耦合度,反映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）：,在这种系统,中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是,1.5.4,多机系统中,并行性的发展,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,通过总线或高速开关互连，可以共享主存。,松散耦合系统（间接耦合系统）：,一般是通过通,道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享,外存设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作,用是在文件或数据集一级上进行的。,表现为两种形式：,多台计算机和共享的外存设备连接，不同机器之间实现功能上的分工（功能专用化），机器处理的结果以文件或数据集的形式送到共享外存设备，供其他机器继续处理。,计算机网络，通过通信线路连接，实现更大范围的资源共享。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,功能专用化（实现时间重叠）,专用外围处理机,例如，输入,/,输出功能的分离。,专用处理机,如数组运算、高级语言翻译、数据库管理等，分离出来。,异构型多处理机系统,由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，,它们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对,它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。,1.5,计算机系统结构中并行性的发展,机间互连,容错系统,可重构系统,对计算机之间互连网络的性能提出了更高的要求。,高带宽、低延迟、低开销的机间互连网络是高效实现程,序或任务一级并行处理的前提条件。,同构型多处理机系统,由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，,它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。,