1、1v計算機系統結構、組成與實現計算機系統結構、組成與實現計算機系統的多級層次結構計算機系統的多級層次結構虛擬機、透明性、軟虛擬機、透明性、軟/硬件功能的等價性硬件功能的等價性v計算機系統的性能評價計算機系統的性能評價CPICPIT TCPUCPU = I = IN NCPICPITcTcMIPSMIPS和和MFLOPSMFLOPS基準測試程序（基準測試程序（benchmarkbenchmark）算術平均值算術平均值Am調和平均值調和平均值Hm幾何平均值幾何平均值Gm2計算機系統設計的定量原理計算機系統設計的定量原理只加速使用頻率高的部件、只加速使用頻率高的部件、Amdahl定律（會應用該定律定

2、律（會應用該定律解決實際問題）、程序訪問的局部性規律解決實際問題）、程序訪問的局部性規律v計算機系統結構的分類計算機系統結構的分類Flynn分類法分類法依據、分類、特點、典型機器的歸類依據、分類、特點、典型機器的歸類3v數據類型、數據表示與數據結構數據類型、數據表示與數據結構數據類型數據類型：數值數值+ +操作。數據表示操作。數據表示+ +數據結構；數據結構；數據表示數據表示：計算機硬件可直接識別和引用的數據類型。：計算機硬件可直接識別和引用的數據類型。數據結構數據結構：結構數據類型的組織方式；軟件識別的數據類型。：結構數據類型的組織方式；軟件識別的數據類型。v常用高級數據表示方法：常用高級數

3、據表示方法：自定義（自定義（Self-defining）數據表示）數據表示標志符標志符數據表示數據表示數據描述符數據描述符數據表示數據表示向量向量數據表示數據表示堆棧堆棧數據表示數據表示4v程序定位技術程序定位技術直接定位直接定位靜態重（再）定位靜態重（再）定位動態重（再）定位動態重（再）定位v指令格式的優化設計指令格式的優化設計主要目標：主要目標： 節省程序存儲空間節省程序存儲空間 指令格式盡量規整，便于譯碼指令格式盡量規整，便于譯碼 研究內容：研究內容： 操作碼操作碼的優化表示的優化表示 地址碼地址碼的優化表示的優化表示5v操作碼的優化表示操作碼的優化表示等（定）長編碼等（定）長編碼 格式

4、最規整、冗余最大格式最規整、冗余最大Huffman編碼編碼最小概率合并法最小概率合并法冗余最小、格式最不規整冗余最小、格式最不規整擴展編碼擴展編碼等長擴展、不等長擴展等長擴展、不等長擴展X-Y-Z、X/Y/Z冗余和規整性都界于等長編碼和冗余和規整性都界于等長編碼和Huffman編碼之間編碼之間Nn2log6v指令字格式的優化指令字格式的優化不同的尋址方式不同的尋址方式不同的地址制不同的地址制不同的地址形式和長度不同的地址形式和長度多種指令字長多種指令字長v指令系統優化設計的兩種方向：指令系統優化設計的兩種方向： 復雜指令系統復雜指令系統CISC(Complex Instruction Set

5、Computer) 精簡指令系統精簡指令系統RISC(Reduced Instruction Set Computer)7vRISC的先進技術的先進技術流水線技術流水線技術延遲加載指令（延遲加載指令（load）延遲轉移技術延遲轉移技術優化編譯技術優化編譯技術數據相關數據相關延遲加載指令（延遲加載指令（load）重疊寄存器窗口技術重疊寄存器窗口技術作用、原理作用、原理8第三章第三章 存儲系統（體系）設計存儲系統（體系）設計v存儲系統的基本概念存儲系統的基本概念由多種不同存儲器件構成，在由多種不同存儲器件構成，在OSOS和輔助硬件管理下成為完整和輔助硬件管理下成為完整的整體，以滿足容量、速度、價格

6、的要求。的整體，以滿足容量、速度、價格的要求。依據程序訪問的局部性原理依據程序訪問的局部性原理時間局部性時間局部性空間局部性空間局部性9第三章第三章 存儲系統（體系）設計存儲系統（體系）設計),()1 (1)1 (122111rHfHHTHTHTTaTeTTCPUCPUI-CacheI-CacheD-CacheD-Cache主存儲器主存儲器v存儲系統的性能參數存儲系統的性能參數等效訪問時間等效訪問時間 TaHT1(1H)T2訪問效率訪問效率v復雜的存儲系統復雜的存儲系統Ta= fi(HiTc+(1- Hi)Tm)+(1- fi)( HdTc+(1- Hd) Tm)10第三章第三章 存儲系統（體

7、系）設計存儲系統（體系）設計v提高命中率方法提高命中率方法預取技術：預取技術：不命中時，把不命中時，把M M2 2存儲器中相鄰幾個單元組成的一個數據塊都存儲器中相鄰幾個單元組成的一個數據塊都取出來送入取出來送入M M1 1存儲器中。存儲器中。P49(2)P49(2)。會計算。會計算 v交叉訪問存儲器交叉訪問存儲器高位交叉高位交叉 低位交叉（分時啟動方式）低位交叉（分時啟動方式）并行主存系統并行主存系統v虛擬存儲器虛擬存儲器地址映象地址映象地址變換地址變換nnHnHH11111第三章第三章 存儲系統（體系）設計存儲系統（體系）設計v虛擬存儲器的三種管理方式虛擬存儲器的三種管理方式段式、頁式、段頁

8、式段式、頁式、段頁式掌握多用戶虛地址變換成主存實地址的方法掌握多用戶虛地址變換成主存實地址的方法v頁面替換算法頁面替換算法RAND、FIFO、LRU、LFU、OPT哪些屬于哪些屬于堆棧型替換算法堆棧型替換算法v提高等效訪問速度（加快地址變換）的方法提高等效訪問速度（加快地址變換）的方法目錄表：用目錄表：用高速小容量相聯存儲器存放部分頁表（已裝入主高速小容量相聯存儲器存放部分頁表（已裝入主存的）。存的）。快慢表法快慢表法散列函數法散列函數法12第三章第三章 存儲系統（體系）設計存儲系統（體系）設計vCache存儲系統與虛擬存儲系統的比較存儲系統與虛擬存儲系統的比較目的目的實現方法實現方法兩級存儲

9、器速度比兩級存儲器速度比頁頁(塊塊)大小大小等效存儲容量等效存儲容量透明性透明性命中時處理方式命中時處理方式采用器件采用器件第二級存儲器與第二級存儲器與CPU通路通路13第三章第三章 存儲系統（體系）設計存儲系統（體系）設計v主存內容的更新算法主存內容的更新算法寫直達法寫直達法(Write-Through), (Write-Through), 寫回法寫回法(Write-Back) (Write-Back) v寫寫CacheCache不命中時的取策略不命中時的取策略不按寫分配法不按寫分配法按寫分配法按寫分配法v預取算法：使用之前就預先取入預取算法：使用之前就預先取入Cache恒預取：訪問第恒預取

10、：訪問第i塊的信息時，預取第塊的信息時，預取第i+1塊塊不命中時預取：訪問第不命中時預取：訪問第i塊不命中時，取塊不命中時，取i塊同時預取第塊同時預取第i+1塊塊 nnHnHH11114v指令的解釋方式指令的解釋方式順序方式順序方式 一次重疊方式一次重疊方式二次重疊方式二次重疊方式增設指令緩沖器的一次重疊方式增設指令緩沖器的一次重疊方式取指令取指令k分析分析k 執行執行k取指令取指令k+1分析分析k+1執行執行k+1取指取指k+2分析分析k+2執行執行k+2取指取指k+1分析分析k+1執行執行k+1取指取指k分析分析k執行執行k取指取指k分析分析k執行執行k取指取指k+1 分析分析k+1 執行

11、執行k+1取指取指k+2 分析分析k+2 執行執行k+2分析分析k執行執行k分析分析k+1執行執行k+1分析分析k+2執行執行k+215v相關及處理相關及處理相關相關v流水線流水線概念概念特點特點分類分類性能性能控制相關控制相關數據相關數據相關指令相關指令相關主存數據相關主存數據相關寄存器數據相關寄存器數據相關基（變）址相關基（變）址相關后推、相關專用通路后推、相關專用通路16v流水線的吞吐率流水線的吞吐率各段時間相等的各段時間相等的存在瓶頸段的存在瓶頸段的瓶頸段的消除方法瓶頸段的消除方法tnknTP)1(ttnknLimTPn1)1(max),max()1(211kkiitttntnTP )

12、,max(121maxktttTP 17v線性流水線性能分析線性流水線性能分析吞吐率、效率、加速比吞吐率、效率、加速比公式法、時空圖法公式法、時空圖法v非線性流水線調度非線性流水線調度解決的問題解決的問題預約表預約表禁止向量禁止向量原始沖突向量原始沖突向量流水線狀態圖流水線狀態圖全部調全部調度方案度方案選取符合要求的方案選取符合要求的方案18v流水機器的流水機器的相關處理相關處理局部相關局部相關種類：種類：RAWRAW、WARWAR、WAWWAW、RARRAR（順序、亂序流動中的區別順序、亂序流動中的區別）解決方法：后推、相關專用通路解決方法：后推、相關專用通路全局相關全局相關分支預測：靜態預

13、測、動態預測分支預測：靜態預測、動態預測加快和提前形成條件碼加快和提前形成條件碼延遲轉移延遲轉移加快短循環處理加快短循環處理中斷處理中斷處理不精確斷點不精確斷點精確斷點精確斷點19v先進流水技術先進流水技術動態調度動態調度集中式集中式記分板機制記分板機制分布式分布式Tomasulo方法方法v指令級高度并行的超級處理機指令級高度并行的超級處理機超標量處理機超標量處理機超流水線處理機超流水線處理機超標量超流水線處理機超標量超流水線處理機超長指令字處理機超長指令字處理機20v并行性的基本概念并行性的基本概念并行性與并行處理并行性與并行處理同時性與并發性同時性與并發性并行性顆粒度并行性顆粒度v并行性技

14、術的實現途徑并行性技術的實現途徑時間重疊、資源重復、資源共享時間重疊、資源重復、資源共享vSIMDSIMD并行處理機并行處理機分布式存儲器結構分布式存儲器結構集中式共享存儲器結構集中式共享存儲器結構處理單元陣列（處理單元陣列（PEPE）、標量處理機、陣列控制部件、主機、）、標量處理機、陣列控制部件、主機、互連網絡互連網絡21v陣列處理機的并行算法陣列處理機的并行算法矩陣加、矩陣乘、累加和矩陣加、矩陣乘、累加和v互連網絡的設計準則互連網絡的設計準則通信工作方式通信工作方式同步、異步同步、異步控制策略控制策略集中、分散集中、分散交換方式交換方式線路交換、分組交換線路交換、分組交換網絡拓撲網絡拓撲靜

15、態、動態靜態、動態v單級互連網絡單級互連網絡CubeCubei iPM2IPM2IShuffle-ExchangeShuffle-ExchangeButterflyButterflyv網絡特性網絡特性結點度與網絡直徑結點度與網絡直徑聚集帶寬與等分帶寬聚集帶寬與等分帶寬數據尋徑功能數據尋徑功能22v靜態互連網絡靜態互連網絡線性陣列線性陣列環和帶環和帶弦環弦環循環移數網和全連接循環移數網和全連接樹型和星型樹型和星型胖樹型胖樹型網格型和環網型網格型和環網型超立方體超立方體帶環超立方體帶環超立方體K K元元n-n-立方體立方體v動態互連網絡動態互連網絡總線方式總線方式交叉開關互連方式交叉開關互連方式多

16、級互連網絡多級互連網絡v多級互連網絡的三個量多級互連網絡的三個量交叉開關交叉開關直連、交叉、上播、下播直連、交叉、上播、下播兩功能交換單元、四功能交換單元兩功能交換單元、四功能交換單元拓撲結構拓撲結構控制方式控制方式級控制、部分級控制、單元控制級控制、部分級控制、單元控制23v多級互連網絡多級互連網絡多級立方體網絡多級立方體網絡STARANSTARAN網網交換網絡：級控制交換網絡：級控制移數網絡：部分級控制移數網絡：部分級控制二進制二進制n n方體網絡：單元控制方體網絡：單元控制多級混洗交換網絡（多級混洗交換網絡（OmegaOmega網絡）網絡）四功能交換單元、單元控制四功能交換單元、單元控制

17、如將交換單元限制為兩種功能且采用級控制則為如將交換單元限制為兩種功能且采用級控制則為STARANSTARAN的的逆網絡逆網絡多級多級PM2IPM2I網絡網絡24v向量流水處理的特點（適合流水處理）向量流水處理的特點（適合流水處理）元素相互元素相互獨立無關獨立無關，各元素執行，各元素執行同一種操作同一種操作一條向量指令相當于一個一條向量指令相當于一個標量循環，減少了控制相關標量循環，減少了控制相關。向量元素相鄰，適合采用向量元素相鄰，適合采用多體交叉（低位）存儲器多體交叉（低位）存儲器。v向量流水的處理方式向量流水的處理方式橫向、縱向、縱橫向橫向、縱向、縱橫向v向量處理機的基本結構向量處理機的基

18、本結構存儲器存儲器- -存儲器、寄存器存儲器、寄存器- -寄存器寄存器v向量指令向量指令向量向量-向量、向量向量、向量-標量、向量標量、向量-存儲器、歸約、聚集存儲器、歸約、聚集-散射、屏散射、屏蔽蔽25v提高向量處理性能的常用技術提高向量處理性能的常用技術多功能部件的并行操作多功能部件的并行操作無向量寄存器沖突和功能部件沖突無向量寄存器沖突和功能部件沖突鏈接技術鏈接技術利用對向量寄存器的先寫后讀相關利用對向量寄存器的先寫后讀相關加快條件語句和稀疏矩陣的處理加快條件語句和稀疏矩陣的處理向量屏蔽技術、利用指標向量的散射與聚合操作向量屏蔽技術、利用指標向量的散射與聚合操作加快向量的歸約操作加快向量的歸約操作分解成可向量化部分和遞推求和部分（采用折疊求和方法）分解成可向量化部分和遞推求和部分（采用折疊求和方法）v向量