高華方學(xué)出版社

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材鄭緯民湯志忠編著

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

I清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材

（第2版）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

■■結(jié)構(gòu)

材清華大學(xué)出版社

高華廣字出版社

課程介紹

高華廣字出版社

1.課程名稱

ComputerArchitecture

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

建筑物的設(shè)計(jì)或式樣,通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌

2.研究內(nèi)容

從外部來研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象

編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須

了解到的計(jì)算機(jī)屬性

清華7二字￡1用工包一

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3.學(xué)習(xí)目的

建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念

學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法

了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果

4.學(xué)科方向

一級(jí)學(xué)科1個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

二級(jí)學(xué)科3個(gè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟

件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

全國重點(diǎn)學(xué)科：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)應(yīng)

用技術(shù)

清/華*1,**,(廣字出版社，/,rpF，y/'?**J?，---

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5.與其他學(xué)科的交叉

學(xué)科交叉：計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)

絡(luò)、...

新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、

VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、

多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、……

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期

軟件■系統(tǒng)結(jié)構(gòu)■實(shí)現(xiàn)技術(shù),兩頭發(fā)展快中間慢

非馮計(jì)算機(jī)正興起

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來

6.課程安排

課內(nèi)：64學(xué)時(shí)，

實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)，

課內(nèi)外比例：課內(nèi)1:課外＞1

除完成作業(yè)之外，還要多看參考書

多看好論文（被SCI、EI收錄），了解國內(nèi)外

最新研究成果

7.教材和參考書

教材：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)（第二版），清華大學(xué)出版社

(l)DavidA.PattersonandJohnL.Hennessy,

ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach

3Ed.SanFrancisco:MorganKaufmann

Publishers

中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法(第

二版，第三版即將出版)，清華大學(xué)出版社

(2)KaiHwang,AdvancedComputerAcrchitecture

ParallelismScalabilityProgrammability

中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性可擴(kuò)展

性可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技

術(shù)出版社

高華十學(xué)出版社

第1章基本概念

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類

高華尢學(xué)出版社

1」計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1.1為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

1.1.4計(jì)算機(jī)組成技術(shù)

1.1.5計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

高華尢學(xué)出版社

1.1.1為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.提高處理機(jī)運(yùn)算速度：MIPS=FzxIPC

其中：Fz為處理機(jī)的工作主頻

IPC(lnstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

提高IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過去，幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令

現(xiàn)在，一個(gè)周期完成幾條指令

提高Fz：縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步

流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從指令串行執(zhí)行，至!JP4的20級(jí)流水線

清華十字出版社

35(?’SPECint速度指標(biāo)

DECAlpha

300

依靠技術(shù)進(jìn)步性能每年每年1.58倍

250提高35%

先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的

200貢獻(xiàn)是技術(shù)進(jìn)步的5倍

DECAlpha

150

IBMPower2

DECAlpha

100

每年1.35倍

HP

IBM900

50MIPSMIPSPower

R3000

SUN4吧

0

198519851986198719881989199019911992199319941995

高華尢學(xué)出版社

2.計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段

20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能每年

提高25%?30%。

20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，

性能每年提高35%

20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級(jí)語言和操作系

統(tǒng)等，性能每年提高50%

1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技

術(shù)進(jìn)步的5倍。

3.近幾年及將來，計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新。

高華方學(xué)出版社

1.1.2如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1.虛擬計(jì)算機(jī)

定義：從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性

是不同的。

主要觀察角度包括:

應(yīng)用程序員

系統(tǒng)程序員

硬件設(shè)計(jì)人員

對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)通常只需要在某一個(gè)層次

上

虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為7個(gè)層次

?第3級(jí)至第6級(jí)由軟件實(shí)現(xiàn)，稱為虛擬機(jī)

?從學(xué)科領(lǐng)域來劃分：

第0級(jí)和第1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組成原理

第2級(jí)屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第3至第5級(jí)屬于系統(tǒng)軟件

第6級(jí)屬于應(yīng)用軟件

?它們之間有交叉

例如：第3級(jí)必須依賴第4級(jí)和第5級(jí)來實(shí)現(xiàn)

高華方學(xué)出版社

期聞?wù)Q明耍英軸眼煽因惻薄闞同

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

肩華尢學(xué)出版社

高華廣字出版社

3.透明性概念

?定義：本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度

看似乎不存在

?例如：CPU類型、型號(hào)、主存儲(chǔ)器容量等

對(duì)應(yīng)用程序員透明

對(duì)系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員等不透明

?例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令

對(duì)高級(jí)語言程序員、應(yīng)用程序員透明

對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員不透明

?例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序

對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明

對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員不透明

高華方學(xué)出版社

:厚駕媒嬰f式縱則”昌堤直翼崎骷姆，圣3

1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一

Amdahl于1964年在推出IBM360系列計(jì)

算機(jī)時(shí)提出：

程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性,即概念性結(jié)

構(gòu)和功能特性

程序員:系統(tǒng)程序員（包括：匯編語言、機(jī)器

語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）

看到的:編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所

必須了解到的

概念性結(jié)構(gòu)

舊M360系列計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)

清附屬S...得—1

功能喏卷指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式二

?數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型；

?尋址技術(shù)：編址方式、尋址方式和定位方式等；

?寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存

器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；

?指令系統(tǒng)：操作類型、格式，指令間的排序控制等；

?中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等；

?存儲(chǔ)系統(tǒng)：尋址空間、虛擬存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器等；

?處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等;

?輸入輸出系統(tǒng)：數(shù)據(jù)交換方式、交換過程的控制等；

?信息保護(hù)：信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。

高華7,二字出版社一

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義;

研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)?/p>

功能上是同等的。

同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或

固件實(shí)現(xiàn)。

不同的組成只是性能和價(jià)格不同,他們的系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)是相同的。

系列計(jì)算機(jī)概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)

現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

高華大學(xué)出版社

1.1.4計(jì)算機(jī)組成技術(shù)“三

1.課程名稱

ComputerOrganization

計(jì)算機(jī)組成，計(jì)算機(jī)組織，計(jì)算機(jī)原理，計(jì)

算機(jī)組成原理

2.研究方法

從內(nèi)部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。

清華7二字cd砂包部,~

j_/jjj、_j2j.?_/j、Jjjr'rj>f,,J*._/_/

3.主要研究內(nèi)容

?確定數(shù)據(jù)通路的寬度；

?確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度;

?確定專用的功能部件；

?確定功能部件的并行度；

?設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略；

?設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)；

?確定采用何種可靠性技術(shù)。

清華廣學(xué)出版社

1.1.5計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)主要包

括：

加理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)；

器件的集成度和速度；

專用器件的設(shè)計(jì)；

器件、模塊、插件、底版的劃分與連接；

信號(hào)傳輸技術(shù)；

電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。

隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界

限越來越模糊。

高華十學(xué)出版社

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

121運(yùn)算速度

1.2.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)

123其他性能

124價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)

高華方學(xué)止，

1.2.1運(yùn)算速度

運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。

有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。

哪一種表示方法合理？

1.時(shí)鐘頻率（處理機(jī)主頻）

只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機(jī)

如：Pentium42.0G比Pentium4L6G快25%?

Pentium42.4G比Pentium4L6G快50%?

只表示CPU的指令處理能力

實(shí)際運(yùn)算速度還與Cache、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序

等均有關(guān)。

靛力學(xué)出版社

2.指令執(zhí)行速度

?一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),GIPS,TIPS

指令條數(shù)巨二［pc*Fz

MIPS二

執(zhí)行時(shí)間xIO，CPI

其中：Fz為處理機(jī)的工作主頻

CPI(CyclesPerInstruction)為

每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)

IPC(InstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

例1：計(jì)算PentiumlV2GHz處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。

?解：由于PentiumlV2GHz處理機(jī)的

IPC=4(或CPI=0.25)，

Fz=2000MHz

因止匕，MIPSpentiumlV2G=FzxIPC=2000x4

=8000MIPS=8GIPS

即每秒鐘80億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令)

?主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用

?主要缺點(diǎn)：

(1)不同指令的執(zhí)行速度差別很大

(2)指令使用頻度差別很大

(3)有相當(dāng)多的非功能性指令

3.等效指令速度:

吉普森(Gibson)法：加減法50%,乘法15%,

除法5%,程序控制15%,其他15%

靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì)

動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計(jì)

n

等效指令執(zhí)行時(shí)間T=Z(TiiwzxWeight/)

i=l

等效指令速度MIPS=-―-——

yWeight/

—MIPS

n

等效CPI=Z(CPLxWeight,)

Z=1

信些「'1學(xué)出版社.I

例2：我國早期研制的一種小型計(jì)算機(jī)DJS-130

定點(diǎn)16位,加法指令每秒50萬次，但沒有

硬件乘除法指令。用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，速

度低100倍左右。求等效指令速度。

解：等效指令速度為：

等效指令速度MIPS二八QC=0.02MIPS

U.oUU.ZU、

(z------+----------)

0.50.5/100

即每秒2萬次，

由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降

低了25倍。

高物二學(xué)社mw

例3：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開平方操作FPSQR所占

的比例為2%,它的CPI為100；其他浮點(diǎn)操作

FP所占的比例為23%,它的CPI=4.0；其余

75%指令的CPI=1.33,計(jì)算該處理機(jī)的等效

CPIo如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計(jì)算

等效CPI。

解：等效CPIi=100x2%+4x23%+l.33x75%=3.92

等效CP12=4x25%+1.33x75%=2.00

改進(jìn)了在用戶程序中僅占2%的開平方操

作，整個(gè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。

高中方學(xué)出版社

4.指令執(zhí)行速度的4種平均方法

1?

?算術(shù)平均：-ZTime-

幾i=\

n

?調(diào)和平均（用速率來度量）：手丁

~I—t1Ratei

?加權(quán)平均

]n

?加權(quán)算術(shù)平均：TimezxWeight/

幾Z=1

,加權(quán)調(diào)和平均：?Weight/

4Ratei

清親17二土破彳遼______

?幾何平均：正了TR

其中：n指不同的程序，ETR(executiontime

ratio)，是第z?個(gè)程序相對(duì)于參考機(jī)器正交化后的

執(zhí)行時(shí)間

幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān)，有如下

性質(zhì)：

X的幾何平均值X]

匕的幾何平均值一[可的幾何平均值

幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值

清華7二字出脫包/解

例4：兩個(gè)程序在三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間

機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C

程序P1（秒）11020-

程序P2（秒）100010020

運(yùn)行程序P1時(shí)，A的速度是B的10倍；

運(yùn)行程序P2時(shí)，B的速度是A的10倍；

運(yùn)行程序P1時(shí)，A的速度是C的20倍；

運(yùn)行程序P2時(shí)，C的速度是A的50倍；

運(yùn)行程序P1時(shí)，B的速度是C的2倍；

運(yùn)行程序P2時(shí)，C的速度是B的5倍。

程序P1和P2各執(zhí)行1次,B的速度是A的9.1倍；

程序P1和P2各執(zhí)行1次,C的速度是A的25倍；

程序P1和P2各執(zhí)行1次,C的速度是B的275倍。

結(jié)論：

執(zhí)行程序P1和P2相同次數(shù)，

機(jī)器A最慢，機(jī)器C最快

算術(shù)平均速度：三臺(tái)機(jī)器的速度之比為:

A：：C=1：9,1：25

信菱十字出版社

加權(quán)算術(shù)平均

加權(quán)算術(shù)平均W1三臺(tái)機(jī)器的速度：A<B<C加權(quán)

算術(shù)平均W2三臺(tái)機(jī)器的速度：A<C<B加權(quán)算術(shù)

平均W3三臺(tái)機(jī)器的速度：C<B<A

機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C

程序Pl執(zhí)行時(shí)間(s)11020

程序P2執(zhí)行時(shí)間⑸100010020

加權(quán)W1(0.5,0.5)500.5055.0020.00

加權(quán)W2(0.909,0.091)91.9118.1920.00

加權(quán)W3(0.999,0.001)2.0010.0920.00

幾何平面——

幾何平均值與所參考的機(jī)器無關(guān)，機(jī)器A與機(jī)器

B的性能相同，機(jī)器C的執(zhí)行時(shí)間是機(jī)器A或機(jī)器B

的0.63倍。

執(zhí)行程序P1和P2的總時(shí)間，機(jī)器A幾乎是機(jī)器日

的10倍。

執(zhí)行時(shí)間與A正交與B正交與C正交

正交化ABCABCABC

程序P11.010.020.00.11.02.00.050.51.0

程序P21.00.10.0210.01.00.250.05.01.0

算術(shù)平均1.05.0510.015.051.01.125.032.751.0

幾何平均1.01.00.631.01.00.631.581.581.0

總時(shí)間比1.00.110.049.11.00.3625.032.751.0

高華廣學(xué)出版社—

5.核心程序法

把應(yīng)用程序中使用最頻繁的那部分程序作為評(píng)價(jià)計(jì)

算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)測(cè)試程序(benchmark)

?整數(shù)測(cè)試程序：Dhrystone

用C語言編寫，100條語句。包括：各種賦值語句，數(shù)

據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū),控制語句,過程調(diào)用和參數(shù)傳送,整數(shù)

運(yùn)算和邏輯操作等。

VAX-n/780的測(cè)試結(jié)果為每秒1757個(gè)Dhrystones,

即：1VAXMIPS=1757Dhrystones/Second

?浮點(diǎn)測(cè)試程序：Linpack

用FORTRAN編寫，主要是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作

用MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPer

Second)表示，GFLOPS、TFLOPS

華小匕一二哥4口冷后-“卜

TSQEG塞準(zhǔn)程序SystemPerformanceEvaluationCooperative

由30個(gè)左右世界知名計(jì)算機(jī)大廠商所支持的

非盈利性國際合作組織，包括：IBM、AT&T、

BULL、Compaq>CDC>DG>DEC>Fujitsu、HP、

InteLMIPS、Motolola>SGkSUN、Unisys等；

1989年10月宣布SPEC1.0,程序量超過15萬

行，包含4個(gè)定點(diǎn)程序和6個(gè)浮點(diǎn)程序，測(cè)試結(jié)果

用SPECint'89和SPECfp'89表示。

1992年增加到有6個(gè)定點(diǎn)程序和14個(gè)浮點(diǎn)程

序，測(cè)試結(jié)果用SPECint，92和SPECfp'92表示。

1995年推出SPECint，95和SPECfp'95

SPEC2000,12個(gè)定點(diǎn)程序、14個(gè)浮點(diǎn)程序

信華方學(xué)出膽社—X；，；

?SPEC基準(zhǔn)測(cè)試程序舉例

處理機(jī)SPECint'95

SPECfpJ95

Pentiumll45018.513.3

Pentiumlll45018.713.7

Pentiumlll50020.614.7

Pientiumlll55022.315.6

Celeron300A12.09.66

Celeron33313.110.20

Celeron36614.110.70

Celeron40015.111.20

Celeron43316.111.60

Celeron46617.012.00

Pentium4性能評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)

（數(shù)據(jù)全部來源于Intel網(wǎng)站）

Pentium41.5G1.6G1.7G1.8G1.9G2G2AG2.2G2.4G

SPECintlOOO531557579601621640722771819

SPECfp2000605626648667688702732766806

SYSmark2002159166174179186193212227242

NewTekLight5min5min5min4min4min4min4min3min4min

Wave3D7.0b51sec29sec11sec54sec38sec27sec16sec54sec35sec

WebMark2001248258269279288300319333350

WebMark2001-B254268280292299312326342371

WebMark2001-B2B263271282292303315342360369

WebMark2001-B2C236248255263292300326335343

」oss8ajd寸?UJn4u)l(d

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0,①?

MV&SITYPRESS

SYSmark*2002一

Windows*XP

Pentium?4Processor

高華廣字出版社

Newlek*UghtWave*3Dv.7.0b

Pentium?4Processor

Shorterbarsindicatebetterperformance

N-MV^SITYPRESS

Pentium?4Processor

UNI1Y.—_

Pentium?4Processor

清華7,二字出瓶社

WebMark*2OO1-B2B一

Windows*XP

350

300

250

200

150

100

50

Pentium?4Processor

UNI1Y.—_

UNI1Y.—_

FlaskMPEG*vO.6with

DivX*4.11Codec

Pentium?4Processor

需華廣字出版社

Adobe*PhotoShop*v,6.01-

Windows*XP

Pentium?4Processor

ShorterbarsIndicatebetterperformance

6.峰值速度

峰值指令速度：MIPS、GIPS、TIPS

浮點(diǎn)峰值速度：MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS

例5：一個(gè)由36臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的Cluster系統(tǒng)，每

臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部由4個(gè)Pentiums700,計(jì)算這

個(gè)Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。

解：Pentiumlll700MHz,有3條指令流水線，

峰值指令速度為：700x3=2100MIPS

Cluster的峰值指令速度=700x3x36x4

=302400MIPS

即每秒3千億次

清華士學(xué)出版社

1.2.2存儲(chǔ)系統(tǒng)

1.存儲(chǔ)層次

第1層：RegisterFiles（寄存器堆）

第2層：Lookahead（先行緩沖站）

第3層：Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）

第4層：MainMemory（主存儲(chǔ)器）

第5層：OnlineStorage（聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器）

第6層：OfflineStorage（脫機(jī)存儲(chǔ)器）

第1~3層在CPU芯片內(nèi)部，第4層在主板上，第

5層在機(jī)箱內(nèi)（硬盤），第6層依靠手工加載

（VCD/DVD/磁帶/刻錄機(jī)等）

華與出瓶枇「

X

存

A

CPU

寄存器堆

儲(chǔ)第1層

容內(nèi)部

（個(gè)

量第2層訪

指令和數(shù)據(jù)緩沖棧

越問

r

來4個(gè)速

越Cache

第3層度

大（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM）越

每來

位主存儲(chǔ)器

第4層越

的（DRAM、DDR、RDRAM）

快

價(jià)

格八

越

聯(lián)機(jī)外部存儲(chǔ)器

來第5層

越（磁盤存儲(chǔ)器等）

便

脫機(jī)外部存儲(chǔ)器

宜第6層

（磁帶、VCD、DVD、亥!J錄機(jī)等）

清華二字出膽包

7(ff,1口*iLJ'T_''ft;?'t?，'-rr,<n:?AJT

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2.尋址空間

程序員可以使用的存儲(chǔ)器容量，即每個(gè)程序

的大小

通常有2化、224、232、264、…

Pentium處理機(jī)的尋址空間為4GB

與實(shí)際配置的存儲(chǔ)器容量無關(guān)

3.存儲(chǔ)容量

實(shí)際物理存儲(chǔ)器的大小

通常用KB、MB、GB等表示

建議配置：主存：128MB?512MB

硬盤：40GB?137GB

高單十字正

4.主存儲(chǔ)器的種類

SDRAM(SynchronousDynamicRandomAccess

Memory)

RDRAM(RAMBUSDRAM)

DDR(DualDateRateDRAM)

5,速度主存度與CPU系統(tǒng)總線速度相匹配

P4系統(tǒng)總線速度400MHz(3200MB/S)或533

DDR:64bitsX333MHz/8=2700MB/S

RDRAM:

16bitsX800MHz/8X2=3200MB/S

6.存儲(chǔ)系統(tǒng)

采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，獲得速度高、

容量大、價(jià)格便宜的存儲(chǔ)器

高華尢學(xué)出版社

1.2.3其他性能

1.字長1?幾百位，16位、32位、64位

?由數(shù)據(jù)字長決定，8的倍數(shù)，32位、64位等

?可變字長：任意組合

2.數(shù)據(jù)表示

?定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、向量、串、棧、樹、…

?發(fā)展方向之一：自定義數(shù)據(jù)表示

4.指令系統(tǒng)、

?CISC(ComplexInstructionSetComputer)復(fù)雜指令集計(jì)算

機(jī)

?RISC(ReducedInstructionSetComputer)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算

機(jī)

?VLIW(VeryLongInstructionWord)超長指令字

清華二學(xué)出版社一

7,-,?，.[j[/.***|JVzv_*'*i?'P*'、6、rp/"Xi<J<I.4,fv*J^VC.*J*

4.輸入輸出系統(tǒng)

?輸入輸出系統(tǒng)的組織方式

?中斷系統(tǒng)

?通道處理機(jī)

?輸入輸出處理機(jī)

5.保護(hù)和診斷能力

?程序與數(shù)據(jù)的保護(hù)

?診斷能力：檢錯(cuò)，糾錯(cuò),冗余，自診斷能力

?可靠性：RAS技術(shù)，可靠性R,可用性A,

可維護(hù)性S

高華廣學(xué)正，

1.2.4價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)

1.價(jià)格與性能的關(guān)系：

?摩爾定理：速度每10年左右提高100倍，

但價(jià)格基本維持不變

?用當(dāng)前同樣的價(jià)格，在5年之后能買到性能

高出10倍的計(jì)算機(jī)

2.硬件與軟件的價(jià)格比例：

?硬件在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)價(jià)格中所占的比例在

下降，軟件所占的比例在上升

?目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過硬件價(jià)格

高華廣學(xué)出浙?社

軟件所占的成本越來越高

成本

年代

70年代

清華十字出版社

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)

1.3.1計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)

13.2軟硬件取舍

133軟件兼容性

1.3.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.3.1計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括指令集、存儲(chǔ)系統(tǒng)、總線

結(jié)構(gòu)、處理器設(shè)計(jì)等，是軟硬件的分界面

硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)：相當(dāng)重要，不同指令集對(duì)系統(tǒng)

性能的影響在縮小

應(yīng)用或市場(chǎng)需求

性能優(yōu)化：可靠性、容錯(cuò)性、價(jià)格與性能

實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性：硬件實(shí)現(xiàn)方案、軟件復(fù)雜性、

投放市場(chǎng)時(shí)間

性能價(jià)格比：必須考慮實(shí)現(xiàn)的成本，包括軟件

成本

匕—

功能要求應(yīng)具備或支持的典型特性

應(yīng)

序決定對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能要求

用

通對(duì)一系列任務(wù)有較好的性能

科

引

商具有較好的浮點(diǎn)運(yùn)算功能

用

支持COBOL、數(shù)據(jù)庫、和事物處理等功能

軟件兼容級(jí)別決定機(jī)器可以運(yùn)行哪些軟件

編程語言級(jí)設(shè)計(jì)者的自由度較大，但需要新的編譯器

目標(biāo)代碼級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，無須投資軟件

操作系統(tǒng)要求為支持選定的操作系統(tǒng)所需要的特性

地拉空間大小非常重要的特性，可能限制程序的運(yùn)行

內(nèi)存管理頁式或段式等管理方式，現(xiàn)代操作系統(tǒng)需要

安全保護(hù)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要

標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)上已有的，某種需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)

浮點(diǎn)格式和算法：IEEE、DEC、IBM等

I/O總線I/O設(shè)備：VME、SCSLPCI、光纖等

編程語言影響指令集：C、