1、4 軟件、運(yùn)用、器件對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響 n軟件對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響n運(yùn)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響 n器件開(kāi)展對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響 軟件的可移植性 n是指軟件不用修正或只需經(jīng)少量加工就能由一臺(tái)機(jī)器搬到另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)轉(zhuǎn)。 n一致高級(jí)言語(yǔ) n采用系列機(jī)思想 n模擬與仿真 一致高級(jí)言語(yǔ) n采用與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)言語(yǔ)規(guī)范如FORTRAN、COBOL等n不同用途的高級(jí)言語(yǔ)有不同的語(yǔ)法構(gòu)造和語(yǔ)義n人們對(duì)言語(yǔ)的根本構(gòu)造看法不一n即使一致種高級(jí)言語(yǔ)在各個(gè)不同廠家的機(jī)器上也不能完全通用n即使同一種高級(jí)言語(yǔ)在不同廠家的機(jī)器上也不能完全通用n在不同平臺(tái)上高級(jí)言語(yǔ)有所擴(kuò)展。n如：Visual C+、VB等n受習(xí)慣權(quán)益阻擾，

2、不愿放棄慣用的言語(yǔ)開(kāi)放系統(tǒng)n是指一種獨(dú)立于廠商,且遵照有關(guān)國(guó)際規(guī)范而建立的,具有系統(tǒng)可移植性、交互操作性，從而能允許用戶自主選擇詳細(xì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和多廠商產(chǎn)品渠道的系統(tǒng)集成技術(shù)的系統(tǒng)。nPCI、USB、TCP/IPnLinux、Java、CORBA、Web Services等系列機(jī)n在軟、硬件界面上確定好一種系統(tǒng)構(gòu)造，之后軟件設(shè)計(jì)者按此設(shè)計(jì)軟件，硬件設(shè)計(jì)者根據(jù)機(jī)器速度、性能、價(jià)錢(qián)的不同，選擇不同的器件，在用不同的硬件技術(shù)和組成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研制并提供不同檔次的機(jī)器。 nIBM/360,370：115，125，145，158，168等nDEC PDP-11 VAX-11/780,750nIntel 80

3、 x86系列：8086,80286,80386,PI,P2,P3,P4nIBM P系列Unix效能器,p690,p670,p660,p665等n一樣的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處置方式n一樣的32位字長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。n如PC系列機(jī)有：n不同主頻：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz, 3GHz, n不同擴(kuò)展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2n不同Cache：Pentium、Celeron、Xeonn不同字長(zhǎng)：8位、16位、32位、64位系列機(jī)的性能價(jià)錢(qián)比低

4、檔性能性能中檔高檔價(jià)錢(qián)性能/價(jià)錢(qián)采用系列機(jī)的優(yōu)缺陷n優(yōu)點(diǎn)：n采用系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好n插件、接口等相互兼容；n便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通訊；n便于維修、培訓(xùn)；n有利于提高產(chǎn)量、降低本錢(qián)n缺陷：n采用新技術(shù)困難-如Itanium(32bit64bit)n限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造的開(kāi)展軟件兼容n向上下兼容：指按某一檔機(jī)器編制的軟件，不加修正就能運(yùn)轉(zhuǎn)于比它高低檔的機(jī)器上。 n向前后兼容：在按某一時(shí)期投入市場(chǎng)的該型號(hào)機(jī)器上編制的軟件，不加修正就能運(yùn)轉(zhuǎn)宇在它之前后投入市場(chǎng)的機(jī)器上。 n兼容機(jī)：把不同公司廠家消費(fèi)的具有同一系統(tǒng)構(gòu)造的計(jì)算機(jī)。 時(shí)間時(shí)間機(jī)器檔次機(jī)器檔次當(dāng)前機(jī)器當(dāng)前機(jī)器向上兼容向上兼容向下兼容向下兼

5、容高高低低向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容系列機(jī)開(kāi)展新機(jī)型的判別方法擬采取的方法改動(dòng)了原系統(tǒng)構(gòu)造？對(duì)原系統(tǒng)構(gòu)造的擴(kuò)展？該方法可取該方法不可取否是否是舉例1n添加字符數(shù)據(jù)類型和指令，支持事務(wù)處置n判別：不改動(dòng)原有系統(tǒng)構(gòu)造，滿足軟件向后兼容。n結(jié)論：可采用n為加強(qiáng)中斷處置功能，將中斷分級(jí)4級(jí)改為5級(jí)，并重新調(diào)整中呼應(yīng)的優(yōu)先次序n判別：終端系統(tǒng)屬系統(tǒng)構(gòu)造，改動(dòng)n結(jié)論：不可采用舉例2n在CPU和主存之間增設(shè)Cache，抑制因主存訪問(wèn)速度過(guò)低而呵斥性能瓶頸n判別：能否增設(shè)Cache，不屬于n結(jié)論：可采用n為處置計(jì)算誤差大，將機(jī)器中浮點(diǎn)數(shù)的下溢處置方法由原來(lái)的恒置“1法，改為ROM存放下溢處置結(jié)果的查表舍

6、入法n判別：不屬于n結(jié)論：可采用舉例3n為添加尋址靈敏性和減少平均指令字長(zhǎng)，將原等長(zhǎng)操作碼改為3類不同碼長(zhǎng)的擴(kuò)展操作碼，將原操作數(shù)尋址方式由操作碼指明改為如VAX-11那種尋址方式位字段指明n判別：改動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造n結(jié)論：不可采用n把原0號(hào)通用存放器改為堆棧指示器n判別：屬于系統(tǒng)構(gòu)造n結(jié)論：不可采用舉例4n將CPU與主存間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴(kuò)展成32位，加快主機(jī)內(nèi)部信息的傳送n判別：不屬于n結(jié)論：可采用n為減少公用總線的運(yùn)用沖突，將單總線改為雙總線n判別：不屬于n結(jié)論：可采用模擬 Simulationn用機(jī)器言語(yǔ)程序?qū)崿F(xiàn)軟件移植的方法。n進(jìn)展模擬義務(wù)的A機(jī)稱為宿主機(jī)Host Machinen被

7、模擬的B機(jī)稱為虛擬機(jī)Virtual Machinen一切為各種模擬所編制的解釋程序通稱為模擬程序；編制非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí) n只適宜于移植運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間短，運(yùn)用次數(shù)少，而且在時(shí)間關(guān)系上沒(méi)有約束和限制的軟件； 微程序機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)機(jī)器言語(yǔ)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)匯編言語(yǔ)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)高級(jí)言語(yǔ)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)A機(jī)器系統(tǒng)機(jī)器言語(yǔ)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)運(yùn)用程序級(jí)B虛擬機(jī)器系統(tǒng)用模擬方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)用軟件的移植仿真 Emulationn用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令的方法。n進(jìn)展仿真義務(wù)的A機(jī)稱為宿主機(jī)n被仿真的B機(jī)稱為目的機(jī)Target Machinen一切為仿真所編制的解釋微程序通稱為仿真微程序；用仿真方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)

8、用軟件的移植微程序機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)A機(jī)器言語(yǔ)級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)高級(jí)言語(yǔ)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)A機(jī)器系統(tǒng)機(jī)器言語(yǔ)級(jí)B機(jī)器言語(yǔ)操作系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)器級(jí)運(yùn)用程序級(jí)B虛擬機(jī)器系統(tǒng)仿真與模擬的區(qū)別 n解釋用的言語(yǔ)不同 n解釋程序所存的位置不同：仿真存在控制存放器，模擬存在主存中 n闡明 ：n模擬適用于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)、運(yùn)用次數(shù)不多的程序 n仿真提高速度，但難以仿真存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)，只能適用于系統(tǒng)構(gòu)造差別不大的機(jī)器間；n在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，兩種方法共用 模擬與仿真的比較項(xiàng)目模擬仿真優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器間軟件移植速度較快缺點(diǎn)運(yùn)行速度低，實(shí)時(shí)性差，模擬程序復(fù)雜機(jī)器結(jié)構(gòu)差別大時(shí)，仿真困難適用場(chǎng)合運(yùn)行時(shí)間短，使用次數(shù)少，無(wú)

9、時(shí)間關(guān)系約束的軟件頻繁使用且易于仿真的指令三種方法的比較n采用一致高級(jí)言語(yǔ)最好，是努力的目的n系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法n仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重n目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容n1/101/2的芯片面積用于仿真n開(kāi)展異種機(jī)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)軟件移植的新途徑虛擬計(jì)算系統(tǒng)n虛擬計(jì)算系統(tǒng)可以隔離詳細(xì)的硬件系統(tǒng)構(gòu)造和軟件系統(tǒng)之間的依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)透明化的可伸縮計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)。n透明、高效、可定制地運(yùn)用計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)靈敏構(gòu)建、按需計(jì)算的理念。nVMware、Xen、Paralles、VirtualBox、Hyper-V,etc面向目的代碼的編譯n一種機(jī)器的目的代碼重新編譯到另一種機(jī)器的目的代

10、碼n兩種方法：n 動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換n例1：IBM的DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown) 處置機(jī)，開(kāi)放源代碼，實(shí)現(xiàn)IBM的VLIW處置器與X86處置器之間的二進(jìn)制兼容，以及與PowerPC、S/390、Java虛擬機(jī)等IBM國(guó)的一切處置器之間的二進(jìn)制兼容n例2：Transmeta公司的Crusoe處置機(jī)，“代碼映射軟件，Code Morphing Software，可以保證Transmeta公司的VLIW處置器Crusoe可以與X86處置器之間實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制兼容。曾經(jīng)大量運(yùn)用于筆記本計(jì)算機(jī)，其功耗很低n靜態(tài)重編譯：正在研

11、討過(guò)程中，難度很大,還沒(méi)有商品化五種方法比較n方法一：采用一致高級(jí)言語(yǔ)是努力的目的，但不能處置已有目的代碼的兼容。n方法二：目前最有效的方法，但限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造的開(kāi)展。n方法三：仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重。用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/101/2的芯片面積用于仿真。n方法四：采用虛擬計(jì)算機(jī)比如法三稍好，但依然不能完全處置已有目的代碼的兼容問(wèn)題n方法五：目的代碼的靜態(tài)重編譯是最有效的方法，但實(shí)現(xiàn)的難度很大。 計(jì)算機(jī)的四類運(yùn)用n數(shù)據(jù)處置Data Processingn可計(jì)算性 n信息處置Information Processingn數(shù)據(jù)的可管理性n知識(shí)處置Knowledge Processi

12、ngn數(shù)據(jù)的可組織性、可了解性n智能處置Intelligence Processing n可智能性運(yùn)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響n運(yùn)用需求n高構(gòu)造化數(shù)值計(jì)算：氣候模型,流體流動(dòng),有限元分析n非構(gòu)造化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬, 稀疏矩陣。n實(shí)時(shí)多要素問(wèn)題：語(yǔ)音識(shí)別,圖象處置, 計(jì)算機(jī)視覺(jué)n海量存儲(chǔ)和輸入輸出密集問(wèn)題：數(shù)據(jù)庫(kù), 事務(wù)處置。n圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。n三個(gè)時(shí)期n通用計(jì)算機(jī)：主要是通用科學(xué)計(jì)算n公用計(jì)算機(jī)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處置、實(shí)時(shí)控制n高性能通用機(jī)：滿足多種需求n目前又開(kāi)場(chǎng)多種公用途置機(jī)的研制運(yùn)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響n兩個(gè)開(kāi)展趨勢(shì)n維持價(jià)錢(qián)不變，利用VLSI技術(shù)等，提高性能n性能根

13、本不變，價(jià)錢(qián)迅速下降n普通先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個(gè)方向開(kāi)展n三種設(shè)計(jì)思想n最高性能價(jià)錢(qián)比：商用機(jī)。主要開(kāi)展方向n最高性能：國(guó)家平安需求，科技開(kāi)展需求n 例如：銀河計(jì)算機(jī)、神州計(jì)算機(jī)、天河計(jì)算機(jī)n最低價(jià)錢(qián)：家用學(xué)習(xí)機(jī)等運(yùn)用系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響 n運(yùn)用要求：高速度、大容量、大吞吐率n運(yùn)用場(chǎng)所：大、中、小、巨、微型機(jī)n大、巨型機(jī)趨勢(shì)：研討新的系統(tǒng)構(gòu)造、組成技術(shù)，并推行，向通用構(gòu)造開(kāi)展；n中、小、微型機(jī)趨勢(shì)：堅(jiān)持價(jià)錢(qián)根本不變，提高性能；堅(jiān)持性能根本不變，降低價(jià)錢(qián)。n從系統(tǒng)構(gòu)造的觀念來(lái)看，各型檔計(jì)算機(jī)的性能隨時(shí)間下移，本質(zhì)上就是在低檔型機(jī)上援用，甚至照搬高檔型機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)造和組成。 價(jià)錢(qián)

14、對(duì)數(shù)坐標(biāo)年代t-3t-2t-1tt+1t+2悄然型機(jī)亞微型機(jī)微型機(jī)小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)巨型機(jī)各型機(jī)器價(jià)錢(qián)性能隨時(shí)間變化的趨勢(shì)價(jià)錢(qián)和運(yùn)用對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造的影響n要全面評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造，既要思索性能又要思索價(jià)錢(qián)。n當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)的功能類似或性能接近時(shí)，性價(jià)比的比較才有意義。n改良系統(tǒng)構(gòu)造應(yīng)使性能或價(jià)錢(qián)產(chǎn)生較小變化，以獲得更好的性價(jià)比。n改良系統(tǒng)構(gòu)造可提高系統(tǒng)的絕對(duì)性能，并使價(jià)錢(qián)的添加比較合理。n針對(duì)特殊負(fù)載特殊運(yùn)用的公用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造往往具有高效率，但缺乏通用性，市局面小。n通用系統(tǒng)構(gòu)造可順應(yīng)各種運(yùn)用場(chǎng)所，市局面大，但效率低。n設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是使公用系統(tǒng)構(gòu)造的高效率與通用系統(tǒng)構(gòu)造的廣泛市場(chǎng)成均勢(shì)。器件開(kāi)展對(duì)系統(tǒng)

15、構(gòu)造的影響 n器件開(kāi)展過(guò)程：n通用片現(xiàn)場(chǎng)片半用戶片用戶片n器件的開(kāi)展推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)造與組成技術(shù)的開(kāi)展，同樣系統(tǒng)構(gòu)造的開(kāi)展要求器件不斷開(kāi)展。n新構(gòu)造的運(yùn)用，取決于器件開(kāi)展能否提供可以n器件性能/價(jià)錢(qián)提高，使新構(gòu)造、組成下移速度更快n器件的開(kāi)展，推進(jìn)算法、言語(yǔ)的開(kāi)展n器件的開(kāi)展，改動(dòng)了邏輯設(shè)計(jì)方法。n 器件種類n通用片：邏輯關(guān)系確定n大批量消費(fèi)，如：CPU、存儲(chǔ)器、存放器n現(xiàn)場(chǎng)片：可以一次或多次改寫(xiě)邏輯關(guān)系n如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGAn半用戶片：門(mén)陣列片等n規(guī)范的門(mén)電路，前幾到工序曾經(jīng)完成；n根據(jù)用戶需求確定最終連線。n用戶片：各種公用芯片n需求單獨(dú)設(shè)計(jì)和消費(fèi)。器件開(kāi)展的特點(diǎn)n

16、器件集成度迅速提高n目前程度：每個(gè)芯片有1012個(gè)晶體管n單芯片內(nèi)可以做大于10GB存儲(chǔ)器，n單芯片內(nèi)可以集成多個(gè)CPU全部Cachen每4年左右提高一個(gè)數(shù)量級(jí), 摩爾定理n問(wèn)題？如何利用器件集成度的提高，不斷改良計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如，有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的Cache等n提高器件速度的空間不大n提高主頻的空間曾經(jīng)很小。微處置器主頻已達(dá)6GHz，門(mén)延遲小于0.01ns信號(hào)延時(shí)：30萬(wàn)公里/秒/21.5mm/0.01nsnPentium芯片面積600mm2，即25mm25mm當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入0.18m以后，線延時(shí)曾經(jīng)超越了門(mén)延遲n提高微處置器速度的途徑之一：依托更加精細(xì)

17、的布線技術(shù)還有少量余地開(kāi)發(fā)新的器件，生物芯片和光電子器件等微處置器主頻預(yù)測(cè)n根據(jù)微處置器主頻近28年的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用增長(zhǎng)極限存在的增長(zhǎng)曲線模型計(jì)算出微處置器主頻的增長(zhǎng)極限約為7250MHz，將在2020年左右根本到達(dá)，在2040年完全到達(dá)。年度主頻(MHz)年度主頻(MHz)年度主頻(MHz)19711（4004）198316199518019722198420199620019742.5198533199723319785198740199845019808198950199973319821219936020001000n提高微處置器性能的途徑之二n提高指令級(jí)并行度有很大潛力n幾個(gè)SPEC

18、2000基準(zhǔn)測(cè)試程序，在理想處置器中的指令級(jí)并行度：n編譯器gcc(C言語(yǔ)83589行)：58.4n最小化布爾函數(shù)espresso(C言語(yǔ)00)：62.6n量子化學(xué)積分求導(dǎo)fpppp(fortran2718行): 75.2n原子反響堆模擬器dodnc(fortran5334行): 118.7n向量化網(wǎng)格生成tomcatv(fortran1950行): 150.1n價(jià)錢(qián)直線下降nCPU芯片的價(jià)錢(qián)每年要下降80%n可靠性越來(lái)越高n芯片可靠性到達(dá)108小時(shí)，延續(xù)運(yùn)用1萬(wàn)年以上綜述n軟件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造開(kāi)展的最重要的要素n沒(méi)有軟件，機(jī)器就不能運(yùn)轉(zhuǎn)，所以為了能方便地運(yùn)用現(xiàn)有軟件，就必需思索系統(tǒng)構(gòu)造的設(shè)計(jì)n軟件最重要n運(yùn)用需求是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造開(kāi)展的最根本的動(dòng)力n機(jī)器是給人用的，我們追求更快更好，機(jī)器就要做得更快更好n需求最根本n器件是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造開(kāi)展最活潑的要素n沒(méi)有器件就產(chǎn)不出電腦，器件的每一次晉級(jí)就帶來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造的改良n器件最活潑改良算法的影響n在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)構(gòu)造，例如：n快速乘法、除法、開(kāi)平方等的實(shí)現(xiàn)：n記分板算法、Tomasulo算法提高指令級(jí)并行性n消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法n有些問(wèn)題，假設(shè)算法上有突破，不需求高性能的系統(tǒng)構(gòu)造，而在普通系統(tǒng)上就能得四處置。n許多算法還有改良的