計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的基本概念第一頁(yè)，共54頁(yè)。課程教學(xué)(jiāoxué)目的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究(yánjiū)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者能把在“計(jì)算機(jī)組成原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等課程中所學(xué)的軟件與硬件知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，從而建立有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念?！滩那把缘诙?yè)，共54頁(yè)。教材(jiàocái)張晨曦等.高等教育出版社，2008.6 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson.中文版：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) －－量化研究方法（第三版） 鄭緯民湯志忠汪東升譯，電子工業(yè)出版社英文版：ComputerArchitecture: AQuantitativeApproach,ThirdEdition 機(jī)械(jīxiè)工業(yè)出版社鄭緯民湯志忠.清華大學(xué)出版社,1998.9 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第二版）第三頁(yè)，共54頁(yè)。網(wǎng)站(wǎnɡzhàn)張晨曦的精品課程網(wǎng)站/arch/http://www.GotoSCS252HomePage/~cs252/北大微處理器研發(fā)(yánfā)中心/WWWComputerArchitecturePage/~arch/www/第四頁(yè)，共54頁(yè)。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念(gàiniàn)和發(fā)展定量分析和性能評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性 1.1引言計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展得益于：制造技術(shù)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新基于微處理器的系統(tǒng)(xìtǒng)在整個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域占統(tǒng)治地位工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)工業(yè)的主要產(chǎn)品小型機(jī)被用微處理器構(gòu)建的服務(wù)器所取代大型機(jī)也幾乎已經(jīng)被通用微處理器構(gòu)成的多處理器代替系統(tǒng)(xìtǒng)結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)折：從單純依靠指令級(jí)并行轉(zhuǎn)向開發(fā)線程級(jí)并行和數(shù)據(jù)級(jí)并行第五頁(yè)，共54頁(yè)。1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)用戶級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)系統(tǒng)軟件級(jí)

機(jī)器級(jí)控制級(jí)數(shù)字邏輯級(jí)

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機(jī)虛擬機(jī)硬件固件硬件直接執(zhí)行Level0(門電路、電子線路)Level1(微程序或硬布線)Level2(指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level3(操作系統(tǒng)、庫(kù)代碼)Level4(匯編語(yǔ)言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)第六頁(yè)，共54頁(yè)。虛擬(xūnǐ)虛擬（virtual）：利用其他部件實(shí)現(xiàn)的本來(běnlái)不存在的事物或?qū)傩岳?，虛擬機(jī)（VM）：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器再如，虛擬主存、虛擬磁盤、虛擬現(xiàn)實(shí)……從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性不同廣義語(yǔ)言虛擬計(jì)算機(jī)VM解釋或編譯作用對(duì)象

觀察者第七頁(yè)，共54頁(yè)。1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的定義Amdahl（阿姆達(dá)爾）于1964年在推出IBM360系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念(gàiniàn)： 程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念(gàiniàn)性結(jié)構(gòu)和功能特性Thestructureofacomputerthatamachinelanguageprogrammermustunderstandtowriteacorrect(timingindependent)programforthatmachine[Amdahl,BlaauwandBrookes,1964]第八頁(yè)，共54頁(yè)。透明(tòumíng)透明（transparent）：本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在例如，浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令：對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員是透明的，對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員則是不透明的再如，數(shù)據(jù)總線寬度、微程序：對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員是透明的，對(duì)硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修(wéixiū)人員則是不透明的第九頁(yè)，共54頁(yè)。軟硬件界面(jièmiàn)assemblercomplierOperatingSystemlibraryISAS/WH/WApplicationH/W：Hardware硬件(yìnɡjiàn)S/W：Software軟件(ruǎnjiàn)ISA：InstructionSetArchitecture指令集結(jié)構(gòu)第十頁(yè)，共54頁(yè)。1.2.3計(jì)算機(jī)組成(zǔchénɡ)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computerarchitecture）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件的界面－－指令系統(tǒng)程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性－－外特性計(jì)算機(jī)組成(Computerorganization）＝組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computerimplementation）計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，組成，實(shí)現(xiàn)是三個(gè)完全不同(bùtónɡ)的概念，相互間有著十分密切的依賴關(guān)系和相互的影響。廣義的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即包括經(jīng)典的指令集結(jié)構(gòu)，也包括計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究第十一頁(yè)，共54頁(yè)。結(jié)構(gòu)、組成(zǔchénɡ)和實(shí)現(xiàn)一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以(kěyǐ)有多種組成一種組成可以(kěyǐ)有多種物理實(shí)現(xiàn)是否設(shè)置乘方(chéngfāng)/開方指令邏輯設(shè)計(jì)1(硬聯(lián)電路)實(shí)現(xiàn)方案1(V1,$1,T1)邏輯設(shè)計(jì)3(微程序)邏輯設(shè)計(jì)2(ROM查表)實(shí)現(xiàn)方案2(V2,$2,T2)實(shí)現(xiàn)方案3(V3,$3,T3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是否第十二頁(yè)，共54頁(yè)。1.2.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的分類Flynn[1966]按照指令(zhǐlìng)流和數(shù)據(jù)流的多倍性分類單指令(zhǐlìng)流單數(shù)據(jù)流SISD：順序處理計(jì)算機(jī)單指令(zhǐlìng)流多數(shù)據(jù)流SIMD：多媒體指令(zhǐlìng)和向量計(jì)算機(jī)多指令(zhǐlìng)流單數(shù)據(jù)流MISD：尚無(wú)商用多指令(zhǐlìng)流多數(shù)據(jù)流MIMD：多處理機(jī)系統(tǒng)指令流：計(jì)算機(jī)執(zhí)行(zhíxíng)的指令序列數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列多倍性：同時(shí)處于同一執(zhí)行(zhíxíng)階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目第十三頁(yè)，共54頁(yè)。1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量(dìngliàng)原理1.以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)（大概率事件優(yōu)先原則）對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化的方法加快經(jīng)常性事件的速度對(duì)于最常見事件賦予優(yōu)先的處理權(quán)和資源(zīyuán)使用權(quán)2.阿姆達(dá)爾（Amdahl）定律定義系統(tǒng)性能的加速比（Speedup），用于計(jì)算系統(tǒng)中的某個(gè)部分進(jìn)行改進(jìn)后，系統(tǒng)總體性能可獲得多大的提高第十四頁(yè)，共54頁(yè)。加速(jiāsù)比－1可改進(jìn)比例Fe＝改進(jìn)前，可改進(jìn)部分占原執(zhí)行時(shí)間的比例部件加速(jiāsù)比Se＝改進(jìn)后，可改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高比第十五頁(yè)，共54頁(yè)。加速(jiāsù)比－2改進(jìn)(gǎijìn)前改進(jìn)(gǎijìn)后未改進(jìn)比例：1－Fe改進(jìn)比例：FeFe/Se未改進(jìn)部分未改進(jìn)比例：1－Fe第十六頁(yè)，共54頁(yè)。加速(jiāsù)比－3當(dāng)Fe（可改進(jìn)比例）很小甚至(shènzhì)→0時(shí)： Sn→1當(dāng)Se（部件加速比）很大甚至(shènzhì)→∞時(shí)：Sn：系統(tǒng)加速比To：采用改進(jìn)措施前執(zhí)行(zhíxíng)該任務(wù)所用的時(shí)間Tn：采用改進(jìn)措施后執(zhí)行(zhíxíng)該任務(wù)所用的時(shí)間第十七頁(yè)，共54頁(yè)。例1.1將某一功能的處理速度提高到原來的20倍，該功能的原處理時(shí)間(shíjiān)僅占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間(shíjiān)的40%，則采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解：由題意可知：Fe=0.4,Se=20根據(jù)Amdahl定律，加速比為：第十八頁(yè)，共54頁(yè)。例1.2某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來的20倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來的5倍，計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。解：由題意可知：Se=20，Sn=5根據(jù)(gēnjù)Amdahl定律：可改進(jìn)(gǎijìn)比例Fe=84.2%第十九頁(yè)，共54頁(yè)。3.CPU性能(xìngnéng)公式第i類指令在總程序中占的比例第二十頁(yè)，共54頁(yè)。CPU性能的影響(yǐngxiǎng)因素CPU時(shí)間＝IC×CPI×?xí)r鐘周期(zhōuqī)長(zhǎng)度CPI時(shí)鐘(shízhōng)周期指令條數(shù)IC程序編譯程序計(jì)算機(jī)組織實(shí)現(xiàn)技術(shù)指令集結(jié)構(gòu)ISA√

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第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。補(bǔ)充(bǔchōng)例題假設(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CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0，重新計(jì)算CPI。解答：CPI1＝100×2%＋4×23%＋1.33×75%＝3.92CPI2＝4×25%＋1.33×75%＝2.00改進(jìn)了在用戶程序中僅占2％的開平方操作，整個(gè)(zhěnggè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。例1.3－1有兩種條件分支指令的設(shè)計(jì)方案：①CPUA：比較指令設(shè)置條件碼，條件分支指令測(cè)試條件碼進(jìn)行分支②CPUB：條件分支指令包括比較、并進(jìn)行分支兩種方案中，條件分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期、其他(qítā)指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。CPUA的條件分支指令占20%，比較指令也占20%。⑴如果CPUA的時(shí)鐘周期比CPUB快1.25倍，哪個(gè)CPU更快？⑵如果CPUA的時(shí)鐘周期比CPUB快1.1倍，哪個(gè)CPU更快？第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。例1.3－2解答(jiědá)：CPIA＝20%×2＋80%×1＝1.2CPU時(shí)間A＝ICA×1.2×?xí)r鐘周期ACPUB沒有獨(dú)立的比較指令：ICB＝80%×ICACPUB條件分支指令所占比例：20%÷80%＝25%CPIB＝25%×2＋75%×1＝1.25CPU時(shí)間B＝80%×ICA×1.25×?xí)r鐘周期B ＝ICA×?xí)r鐘周期B⑴時(shí)鐘周期B＝1.25×?xí)r鐘周期ACPU時(shí)間B＝ICA×1.25×?xí)r鐘周期A＞CPU時(shí)間A⑵時(shí)鐘周期B＝1.1×?xí)r鐘周期ACPU時(shí)間B＝ICA×1.1×?xí)r鐘周期A＜CPU時(shí)間A第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。4.程序(chéngxù)的局部性原理 程序的順序(shùnxù)執(zhí)行和程序的循環(huán)等原因，程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過的數(shù)據(jù)和指令局部性原理（principleoflocality） 處理器訪問存儲(chǔ)器時(shí)，所訪問的存儲(chǔ)單元在一段時(shí)間內(nèi)都趨向于一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中時(shí)間局部性：程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息（近期被訪問的程序，很可能不久又將再次被訪問）空間局部性：程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近（地址上相鄰近的程序可能會(huì)被連續(xù)的訪問）第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。求平均值函數(shù)(hánshù)的局部性longmean(longd[],longnum){longi,temp=0;for(i=0;i<num;i++)temp=temp+d[i];temp=temp/num;return(temp);}時(shí)間局部空間局部時(shí)間局部和空間局部第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。1.3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能(xìngnéng)評(píng)測(cè)最初： 執(zhí)行單項(xiàng)操作的時(shí)間，例如：加法操作時(shí)間改進(jìn)為： 平均指令執(zhí)行時(shí)間＝進(jìn)一步成為容易理解的： 每秒百萬(wàn)(bǎiwàn)條指令（MillionInstructionsPerSecond）

同時(shí)出現(xiàn)： MFLOPS（每秒百萬(wàn)(bǎiwàn)浮點(diǎn)操作）最終形成： 測(cè)試程序（Benchmarks）第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。1.執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間和吞吐率使用者：減少執(zhí)行時(shí)間（executiontime）程序從開始執(zhí)行到結(jié)束執(zhí)行所用的時(shí)間管理員：增大吞吐率（throughput）＝流量單位(dānwèi)時(shí)間內(nèi)完成的總?cè)蝿?wù)量衡量性能最可靠的標(biāo)準(zhǔn)：真實(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間相同的任務(wù)，花費(fèi)的時(shí)間越少、速度越快、性能越高，區(qū)別在于是單任務(wù)（關(guān)注執(zhí)行時(shí)間）還是多任務(wù)（關(guān)注吞吐率）X的速度是Y的n倍：第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。CPU時(shí)間(shíjiān)與CPU性能真實(shí)程序的執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間 ＝CPU時(shí)間＋I(xiàn)/O操作等時(shí)間CPU時(shí)間 ＝用戶CPU時(shí)間＋系統(tǒng)CPU時(shí)間CPU性能對(duì)應(yīng)用戶CPU時(shí)間時(shí)間(shíjiān)越少，性能越高第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。2.基準(zhǔn)(jīzhǔn)測(cè)試程序（benchmark）核心測(cè)試程序LivermoreLoops和Linpack小型(xiǎoxíng)測(cè)試程序Quicksort，Puzzle和Sieve合成測(cè)試程序Whetstone和Dhrystone真實(shí)(zhēnshí)應(yīng)用程序修正的（或者腳本化）應(yīng)用程序第三十頁(yè)，共54頁(yè)。程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是B的2.3器件(qìjiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響采用(cǎiyòng)并行處理技術(shù)第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。解：由題意可知：Se=20，Sn=5計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的基礎(chǔ)管理員：增大吞吐率（throughput）＝流量一種組成可以(kěyǐ)有多種物理實(shí)現(xiàn)解：由題意可知：Fe=0.第五十一頁(yè)，共54頁(yè)。1倍，哪個(gè)CPU更快？第i類指令在總程序中占的比例不同廠家生產(chǎn)的具有(jùyǒu)相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性不同2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能(xìngnéng)評(píng)測(cè)管理員：增大吞吐率（throughput）＝流量基準(zhǔn)(jīzhǔn)測(cè)試程序組件SPECStandardPerformanceEvaluationCorporationSPEC89→SPEC92→SPEC95→SPEC200012個(gè)整數(shù)(zhěngshù)基準(zhǔn)程序（CINT2000）14個(gè)浮點(diǎn)基準(zhǔn)程序（CFP2000）WinBench99andWinstone2004WinBench99：measurestheperformanceofaPC'sgraphics,disk,processor,andvideosubsystemsBusinessWinstone2004：application-basedbenchmarkthatmeasuresaPC'soverallperformance第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。CINT2000Benchmark Language Descriptions164.gzip C Compression175.vpr C FPGACircuitPlacementandRouting176.gcc C CProgrammingLanguageCompiler181.mcf C CombinatorialOptimization186.crafty C GamePlaying:Chess197.parser C WordProcessing252.eon C++ ComputerVisualization253.perlbmk C PERLProgrammingLanguage254.gap C GroupTheory,Interpreter255.vortex C Object-orientedDatabase256.bzip2 C Compression300.twolf C PlaceandRouteSimulator第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。CFP2000Benchmark Language Descriptions168.wupwise Fortran77 Physics/QuantumChromodynamics171.swim Fortran77 ShallowWaterModeling172.mgrid Fortran77 Multi-gridSolver:3DPotentialField173.applu Fortran77 Parabolic/EllipticPartialDifferentialEquations177.mesa C 3-DGraphicsLibrary178.galgel Fortran90 ComputationalFluidDynamics179.art C ImageRecognition/NeuralNetworks183.equake C SeismicWavePropagationSimulation187.facerec Fortran90 ImageProcessing:FaceRecognition188.ammp C ComputationalChemistry189.lucas Fortran90 NumberTheory/PrimalityTesting191.fma3d Fortran90 Finite-elementCrashSimulation200.sixtrack Fortran77 HighEnergyNuclearPhysicsAcceleratorDesign301.apsi Fortran77 Meteorology:PollutantDistribution第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。SPEC示例(shìlì)－1第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。SPEC示例(shìlì)－2PerformancerelativetoaSunUltra5_10(300MHz)whichisgivenascoreofSPECint2000=SPECfp2000=100第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。SPEC示例(shìlì)－3第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。3.性能(xìngnéng)比較總執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間加權(quán)執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間（WeightedExecutionTime）規(guī)格化執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間（NormalizedExecutionTime）計(jì)算機(jī)A計(jì)算機(jī)B計(jì)算機(jī)C程序P1(s)11020程序P2(s)100010020總時(shí)間(s)100111040第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。第四十六頁(yè)，共54頁(yè)。⑵時(shí)鐘周期B＝1.longmean(longd[],longnum)GotoSchool.馮·諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)機(jī)器A幾乎是機(jī)器B的10倍將某一功能的處理速度提高到原來的20倍，該功能的原處理時(shí)間(shíjiān)僅占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間(shíjiān)的40%，則采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？1倍，哪個(gè)CPU更快？＝CPU時(shí)間＋I(xiàn)/O操作等時(shí)間Level1(微程序或硬布線)部件加速(jiāsù)比Se＝改進(jìn)后，可改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高比網(wǎng)站(wǎnɡzhàn)系統(tǒng)(xìtǒng)結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)折：從單純依靠指令級(jí)并行轉(zhuǎn)向開發(fā)線程級(jí)并行和數(shù)據(jù)級(jí)并行采用(cǎiyòng)并行處理技術(shù)WinBench99andWinstone2004總執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間平均總執(zhí)行時(shí)間(shíjiān)＝算術(shù)平均值Ti：第i個(gè)測(cè)試程序所需的時(shí)間(shíjiān)第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。加權(quán)執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間加權(quán)平均執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間＝加權(quán)算術(shù)平均值Ti：第i個(gè)測(cè)試程序所需的時(shí)間(shíjiān)Wi：第i個(gè)測(cè)試程序所占的比重第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。規(guī)格化執(zhí)行(zhíxíng)時(shí)間平均規(guī)格化執(zhí)行時(shí)間可以表示成算術(shù)(suànshù)平均值A(chǔ)m，也可以表示成幾何平均值Gm等時(shí)加權(quán)：按照一個(gè)(yīɡè)參考機(jī)器進(jìn)行規(guī)格化（歸一化），使每個(gè)程序在該機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間相同第四十頁(yè)，共54頁(yè)。運(yùn)行(yùnxíng)程序P1時(shí)，A的速度是B的10倍；運(yùn)行(yùnxíng)程序P2時(shí)，B的速度是A的10倍；運(yùn)行(yùnxíng)程序P1時(shí)，A的速度是C的20倍；運(yùn)行(yùnxíng)程序P2時(shí)，C的速度是A的50倍；運(yùn)行(yùnxíng)程序P1時(shí)，B的速度是C的2倍；運(yùn)行(yùnxíng)程序P2時(shí)，C的速度是B的5倍。第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。算術(shù)平均：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2.75倍。結(jié)論：執(zhí)行程序P1和P2相同(xiānɡtónɡ)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：B：C=1：9.1：25第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。加權(quán)算術(shù)平均加權(quán)算術(shù)平均W1三臺(tái)機(jī)器(jīqì)的速度：A<B<C加權(quán)算術(shù)平均W2三臺(tái)機(jī)器(jīqì)的速度：A<C<B加權(quán)算術(shù)平均W3三臺(tái)機(jī)器(jīqì)的速度：C<B<A機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C程序P1執(zhí)行時(shí)間(s)程序P2執(zhí)行時(shí)間(s)加權(quán)W1(0.5,0.5)加權(quán)W2(0.909,0.091)加權(quán)W3(0.999,0.001)11000500.50

91.912.001010055.0018.1910.09202020.0020.0020.00第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。幾何平均幾何平均值與所參考(cānkǎo)的機(jī)器無(wú)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B的10倍規(guī)格化執(zhí)行時(shí)間用A規(guī)格化ABC用B規(guī)格化ABC用C規(guī)格化ABC程序P1程序P2算術(shù)平均幾何平均總時(shí)間比1.010.020.01.00.10.021.05.0510.011.01.00.631.00.110.040.11.02.010.01.00.25.051.01.1

1.01.00.639.11.00.360.050.51.050.05.01.025.032.751.01.581.581.025.032.751.0第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的基礎(chǔ)軟件和硬件的等效性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的目標(biāo)充分利用硬件技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)達(dá)到(dádào)較高的性能價(jià)格比軟件和硬件的等效性由軟件實(shí)現(xiàn)的功能在原理上可以由硬/固件實(shí)現(xiàn)軟件和硬/固件在性能和成本上是不等效的第四十五頁(yè)，共54頁(yè)。1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)ENIAC馮·諾依曼第四十六頁(yè)，共54頁(yè)。1.馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(tèdiǎn)五大基本部件：存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。以運(yùn)算器為中心、由控制器集中控制將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在工作時(shí)從存儲(chǔ)器取出指令加以執(zhí)行(zhíxíng)，自動(dòng)完成計(jì)算任務(wù)。這就是“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”（簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)程序控制）的概念指令的執(zhí)行(zhíxíng)是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行(zhíxíng)，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成第四十七頁(yè)，共54頁(yè)。2.對(duì)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)(gǎijìn)對(duì)輸入/輸出方式的改進(jìn)程序控制，DMA，I/O處理機(jī)采用(cǎiyòng)并行處理技術(shù)操作重疊，并行計(jì)算，多機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展累加器，通用寄存器，高速緩沖Cache指令集的發(fā)展復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)第四十八頁(yè)，共54頁(yè)。1.4.2軟件(ruǎnjiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件兼容可以實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，結(jié)果(jiēguǒ)相同，差別只是執(zhí)行時(shí)間不同當(dāng)前(dāngqián)計(jì)算機(jī)時(shí)間計(jì)算機(jī)檔次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容低高第四十九頁(yè)，共54頁(yè)。實(shí)現(xiàn)(shíxiàn)可移植性的常用方法1.