說在前面：關(guān)于本門課程：你熱愛你的專業(yè)嗎？你都學(xué)會(huì)了哪些專業(yè)知識(shí)和技能？本課程在專業(yè)體系中的地位？如何學(xué)習(xí)？關(guān)于教育……什么是真正的學(xué)習(xí)？本門課學(xué)習(xí)特點(diǎn)：難（理論性強(qiáng)，深度分析，計(jì)算。）說在前面：我的要求：態(tài)度！思考?。ǚ治觯斫?，真誠，不敷衍）怎樣考核？平時(shí)期中研究報(bào)告期末測(cè)試關(guān)于研究報(bào)告：分組：3~5人自由組隊(duì)。主題：專業(yè)相關(guān)，任選。研究方式：查閱資料，實(shí)驗(yàn)，討論等。研究成果：研究報(bào)告（Word文檔），演示PPT。匯報(bào)及評(píng)分。第九周開始逐一匯報(bào)。同學(xué)參與評(píng)分。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)流水線技術(shù)指令級(jí)并行存儲(chǔ)系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)多處理機(jī)機(jī)群系統(tǒng)多核系統(tǒng)架構(gòu)與編程第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1引言1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.3定量分析技術(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)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1引言第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展受益于兩個(gè)方面計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展過程1.1引言時(shí)間原因每年的性能增長1946年起的25年兩種因素都起著主要的作用25%20世紀(jì)70年代末～80年代初大規(guī)模集成電路和微處理器出現(xiàn),以集成電路為代表的制造技術(shù)的發(fā)展約35%80年代中開始RISC結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷更新和變革，制造技術(shù)不斷發(fā)展50%以上維持了約16年2003年以來大功耗問題；可以進(jìn)一步有效地開發(fā)的指令級(jí)并行性已經(jīng)很少；存儲(chǔ)器訪問速度的提高緩慢。約20%1.1引言體系結(jié)構(gòu)與組織方式的發(fā)展一起促成了計(jì)算機(jī)性能以超過50%的年增長率持續(xù)增長17年（1986~2003），這一飛速發(fā)展共有四重效果：顯著增強(qiáng)了可供計(jì)算機(jī)用戶使用的功能性價(jià)比的大幅度提高導(dǎo)致了新型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。根據(jù)摩爾定律的預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)使基于微處理器的計(jì)算機(jī)在整個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位。對(duì)軟件開發(fā)的影響，允許今天的程序員以性能換取生產(chǎn)效率。1.1引言從2003年開始，由于風(fēng)冷芯片最大功耗和無法有效地開發(fā)更多指令級(jí)并行這兩大孿生瓶頸，單處理器的性能提高速度下降到每年不足22%。事實(shí)上，Intel在2004年取消了自己的高性能單核處理器項(xiàng)目，轉(zhuǎn)而和其他公司一起宣布：為了獲得更高性能的處理器，應(yīng)當(dāng)提高一個(gè)芯片上集成的核心數(shù)目，而不是加快單核處理器的速度。這是一個(gè)標(biāo)著歷史性轉(zhuǎn)折的里程碑信號(hào)，處理器性能的提高從單純依賴指令級(jí)并行轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)級(jí)并行和線程級(jí)并行甚至請(qǐng)求級(jí)并行。結(jié)論：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)的發(fā)展中有著極其重要的作用。1.1引言計(jì)算機(jī)的分類：特征個(gè)人移動(dòng)設(shè)備臺(tái)式機(jī)服務(wù)器機(jī)群/倉庫級(jí)計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)價(jià)格$100~$1000$300~$2500$5000~$10000000$100000~$200000000$10~$100000微處理器價(jià)格$10~$100$50~500$200~$2000$50~$250$0.01~$100關(guān)鍵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題成本；能耗；媒體性能響應(yīng)率。性價(jià)比；能耗；圖形性能。吞吐量；可用性；可擴(kuò)展性；能耗。性價(jià)比；吞吐量；能耗均衡性。價(jià)格；能耗；應(yīng)用的特有性能。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件/固件＋軟件計(jì)算機(jī)語言從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展高一級(jí)語言的語句相對(duì)于低一級(jí)語言來說功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級(jí)語言為基礎(chǔ)。從計(jì)算機(jī)語言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。每一層以一種語言為特征1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念軟件硬件或固件演示1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念物理機(jī):用硬件/固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器固件：具有軟件功能的硬件。虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器各機(jī)器級(jí)的實(shí)現(xiàn)主要靠翻譯或解釋，或兩者的結(jié)合。翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級(jí)機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級(jí)機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級(jí)機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。解釋：對(duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級(jí)機(jī)器取下一條語句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個(gè)程序。解釋執(zhí)行比編譯后再執(zhí)行所花的時(shí)間多，但占用的存儲(chǔ)空間較少。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.2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)的經(jīng)典定義傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。（1964年Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時(shí)提出的）按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。透明性在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。Amdahl提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機(jī)器語言級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性。廣義的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義：指令集結(jié)構(gòu)、組成、硬件（計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的3個(gè)方面）1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念對(duì)于通用寄存器型機(jī)器來說，這些屬性主要是指：指令系統(tǒng)包括機(jī)器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機(jī)構(gòu)等。數(shù)據(jù)表示硬件能直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型。尋址規(guī)則包括最小尋址單元、尋址方式及其表示。寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）中斷系統(tǒng)（中斷的類型和中斷響應(yīng)硬件的功能等）1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）存儲(chǔ)系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲(chǔ)容量等）信息保護(hù)（包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持）I/O結(jié)構(gòu)包括I/O連接方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態(tài)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：

確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件的界面，界面之上是軟件實(shí)現(xiàn)的功能，界面之下是硬件和固件實(shí)現(xiàn)的功能。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.3計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面即機(jī)器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。著眼于：物理機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。著眼于：器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。

一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類常見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類法：

Flynn分類法、馮氏分類法1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念Flynn分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。指令流：計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。據(jù)此把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為4類：單指令流單數(shù)據(jù)流SISD單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD多指令流單數(shù)據(jù)流MISD多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）傳統(tǒng)的單處理器計(jì)算機(jī)。每次指令部件對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼并只對(duì)一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。CU--控制部件；PU—處理機(jī)；MM—主存模塊；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—數(shù)據(jù)流1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）陣列處理機(jī)和相聯(lián)處理機(jī)。CU--控制部件；PU—處理機(jī)；MM—主存模塊；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—數(shù)據(jù)流在同一控制部件的控制下，多個(gè)處理部件同時(shí)執(zhí)行同一條指令所規(guī)定的操作，分別對(duì)各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這些數(shù)據(jù)來自不同的地方，分別構(gòu)成各自的數(shù)據(jù)流。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）按不同指令的要求對(duì)同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理，一個(gè)處理單元的輸出作為另一個(gè)處理單元的輸入。（只是人為劃分，目前沒有實(shí)際的計(jì)算機(jī)。）CU--控制部件；PU—處理機(jī)；MM—主存模塊；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—數(shù)據(jù)流1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念多指令流多數(shù)據(jù)流能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令、數(shù)組各級(jí)全面并行的多機(jī)系統(tǒng)。（多處理機(jī)）CU--控制部件；PU—處理機(jī)；MM—主存模塊；SM—共享主存；IS—指令流；CS—控制流；DS—數(shù)據(jù)流1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念馮氏分類法按數(shù)據(jù)處理的并行度進(jìn)行分類。1、字串位串（WSBS）位串處理方式，每次只處理一個(gè)字中的一位，早期的位串行計(jì)算機(jī)。2、字串位并（WSBP）字（字片）處理方式，每次處理一個(gè)字中的n位，位并行單處理機(jī)。3、字并位串（WPBS）位（位片）處理方式，每次處理m個(gè)字中的一位，相聯(lián)處理機(jī)，陣列處理機(jī)。4、字并位并（WPBP）全并行處理方式，一次處理m個(gè)字，其每個(gè)字為n位，相聯(lián)處理機(jī)，陣列處理機(jī)，多處理機(jī)。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.3定量分析技術(shù)4個(gè)定量原理：以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)Amdahl定律CPU性能公式程序的局部性原理1.3定量分析技術(shù)以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則進(jìn)行選擇，以得到更多的總體上的改進(jìn)。優(yōu)化是指分配更多的資源、達(dá)到更高的性能或者分配更多的電能等。如，處理器的取指令和譯碼器比乘法器用得更頻繁，所以應(yīng)該先對(duì)取值指令和譯碼器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3定量分析技術(shù)Amdahl定律該定律是1967年IBM公司的Amdahl在設(shè)計(jì)IBM360系列機(jī)時(shí)首先提出的。該定律可用于確定對(duì)系統(tǒng)中性能瓶頸部件采取措施提高速度后能得到的系統(tǒng)性能改進(jìn)的程度。加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。系統(tǒng)性能加速比：1.3定量分析技術(shù)加速比依賴于兩個(gè)因素可改進(jìn)比例：在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。

它總是小于等于1。例如：一個(gè)需運(yùn)行60秒的程序中有20秒的運(yùn)算可以加速，那么這個(gè)比例就是20/60。部件加速比：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍數(shù)。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。

一般情況下部件加速比是大于1的。例如：若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間是2秒，而改進(jìn)前其執(zhí)行時(shí)間為5秒，則部件加速比為5/2。1.3定量分析技術(shù)改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時(shí)間：1.3定量分析技術(shù)系統(tǒng)加速比1.3定量分析技術(shù)在多個(gè)部件可改進(jìn)的情況下，

Amdahl定理的擴(kuò)展：其中：Sn為系統(tǒng)加速比，F(xiàn)i為第i個(gè)部件的可改進(jìn)比例，Si為第i個(gè)部件的部件加速比。1.3定量分析技術(shù)

例1.1將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快15倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進(jìn)比例Fe=40%=0.4

部件加速比Se=15

根據(jù)Amdahl定律可知：采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.6倍。1.3定量分析技術(shù)

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25倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來的4倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。解由題可知：部件加速比Se=25系統(tǒng)加速比Sn=4

根據(jù)Amdahl定律可知：

由此可得：可改進(jìn)比例

=78.1%

即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為78.1%。1.3定量分析技術(shù)例1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為：

部件加速比1=30；

部件加速比2=20；

部件加速比3=10如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：

已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得：得F3＝0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。1.3定量分析技術(shù)Amdahl定律：一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則如果僅僅對(duì)計(jì)算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。如果讓部件減速比趨于∞，則系統(tǒng)的加速比趨于1/(1-可改進(jìn)比例)。這就是Amdahl定律的一個(gè)重要推論：如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，那么所獲得的加速比不超過1/(1-可改進(jìn)比例)。以例1.1來說，如果部件加速比由15增大到100，則在可改進(jìn)比例仍為0.4的條件下，系統(tǒng)加速比只約為1.66。Amdahl定律告訴我們，改進(jìn)效果好的高性能系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)各部分性能均能平衡地得到提高的系統(tǒng)，不能只是其中某一個(gè)功能部件的性能得到提高。1.3定量分析技術(shù)CPU性能公式執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間其中：時(shí)鐘周期時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI

（CyclesPerInstruction）

CPI=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)／IC

IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)程序執(zhí)行的CPU時(shí)間可以寫成

CPU時(shí)間=IC×CPI×?xí)r鐘周期時(shí)間

1.3定量分析技術(shù)CPU的性能取決于三個(gè)參數(shù)時(shí)鐘周期時(shí)間：取決于硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成；CPI：取決于計(jì)算機(jī)組成和指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；IC：取決于指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。對(duì)CPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化假設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有n種指令；

CPIi

：第i種指令的處理時(shí)間；

ICi

：在程序中第i種指令出現(xiàn)的次數(shù)；則：

CPU時(shí)鐘周期數(shù)=

(CPIi

Ici)ni=11.3定量分析技術(shù)i=1n時(shí)鐘周期數(shù)IC

（CPIi×ICi）i=1nIC

（CPIi×）i=1nICiICCPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間

=

（CPIi×ICi）×?xí)r鐘周期時(shí)間CPI可以表示為：CPI===其中：(ICi/IC)反映了第i種指令在程序中所占的比例。1.3定量分析技術(shù)

例1.4

假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)指令FP的比例為25%，其中，浮點(diǎn)數(shù)平方根指令FPSQR占全部指令的比例為2%，F(xiàn)P操作的CPI為4，F(xiàn)PSQR操作的CPI為20

，其他指令的平均CPI為1.33。現(xiàn)有兩種改進(jìn)方案，第一種是把FPSQR操作的CPI減至2，第二種是把所有的FP操作的CPI減至2，試比較兩種方案對(duì)系統(tǒng)性能的提高程度。解沒有改進(jìn)之前，每條指令的平均時(shí)鐘周期CPI為：

1.3定量分析技術(shù)

（1）采用第一種方案

FPSQR操作的CPI由CPIFPSQR＝20減至CPI’FPSQR＝2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為（從原CPI中減去節(jié)省的周期數(shù)）：

CPI1＝CPI―（CPIFPSQR―CPI’FPSQR）×2%

＝2―(20―2)×2%＝1.64

（2）采用第二種方案所有FP操作的CPI由CPIFP＝4減至CPI’FP＝2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為：

CPI2＝CPI―（CPIFP―CPI’FP）×25%

＝2―(4―2)×25%＝1.5

從降低整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)的程度來看，第二種方案優(yōu)于第一種方案。1.3定量分析技術(shù)例1.5考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法：（1）CPUA：通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測(cè)試條件碼進(jìn)行分支。（2）CPUB：在分支指令中包括比較過程。在這兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而所有其它指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每條分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占20%。由于CPUA在分支時(shí)不需要比較，因此假設(shè)CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間是CPUA的1.25倍。問：哪一個(gè)CPU更快？如果CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間只是CPUA的1.1倍，哪一個(gè)CPU更快呢？1.3定量分析技術(shù)解

我們不考慮所有系統(tǒng)問題，所以可用CPU性能公式。占用2個(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的20%，剩下的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。所以

CPIA=0.2×2+0.80×1=1.2則CPUA性能為總CPU時(shí)間A=ICA

×1.2×?xí)r鐘周期A根據(jù)假設(shè)，有

時(shí)鐘周期B=1.25×

時(shí)鐘周期A

在CPUB中沒有獨(dú)立的比較指令，所以CPUB的程序量為CPUA的80%，分支指令的比例為

20%/80%=25%1.3定量分析技術(shù)這些分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的75%的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，因此

CPIB=0.25×2+0.75×1=1.25因?yàn)镃PUB不執(zhí)行比較，故

ICB=0.8×ICA因此CPUB性能為

總CPU時(shí)間B=ICB

×CPIB

×

時(shí)鐘周期B=0.8×ICA

×1.25×（1.25×?xí)r鐘周期A）

=1.25×ICA

×?xí)r鐘周期A1.3定量分析技術(shù)

在這些假設(shè)之下，盡管CPUB執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUA因?yàn)橛兄痰臅r(shí)鐘周期，所以比CPUB快。如果CPUB的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅是CPUA的1.1倍，則

時(shí)鐘周期B=1.10×?xí)r鐘周期ACPUB的性能為總CPU時(shí)間B=ICB×CPIB

×?xí)r鐘周期B

=0.8×ICA

×1.25×（1.10×?xí)r鐘周期A）

=1.10×ICA

×?xí)r鐘周期A

因此CPUB由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPUA運(yùn)行更快。1.3定量分析技術(shù)程序的局部性原理程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。這種簇聚同時(shí)存在于指令訪問和數(shù)據(jù)訪問中。常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則程序執(zhí)行時(shí)間的90%都是在執(zhí)行程序中10%的代碼。程序的時(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。程序的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。程序的這種局部性原理是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多層存儲(chǔ)體系的基本原理依據(jù)，特別是高速緩沖存儲(chǔ)器Cache。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)包括：指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)表示的設(shè)計(jì)、功能的組織、邏輯設(shè)計(jì)以及其物理實(shí)現(xiàn)等。設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大致要完成3個(gè)方面的工作。確定用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的目標(biāo)設(shè)計(jì)出能滿足用戶的功能需求、有較長的生命周期、且又具有很高的性能價(jià)格比的系統(tǒng)。1.3定量分析技術(shù)軟硬件功能分配考慮如何優(yōu)化設(shè)計(jì)？

必須考慮軟硬件功能的合理分配。

軟件和硬件在實(shí)現(xiàn)功能上是等價(jià)的用軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)容易、修改簡單，而且可以減少硬件成本。但是所實(shí)現(xiàn)的功能的速度較慢。用硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：速度快、性能高，但它修改困難，靈活性差。在軟硬件之間進(jìn)行折中和取舍。設(shè)計(jì)出生命周期長的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特別注意計(jì)算機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)設(shè)計(jì)出具有一定前瞻性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使得它具有較長的生命周期。1.3定量分析技術(shù)1.3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)執(zhí)行時(shí)間和吞吐率如何評(píng)測(cè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，與測(cè)試者看問題的角度有關(guān)。用戶關(guān)心的是：單個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間（執(zhí)行單個(gè)程序所花的時(shí)間很少）數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：吞吐率（在單位時(shí)間里能夠完成的任務(wù)很多）1.3定量分析技術(shù)假設(shè)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)為X和Y，X比Y快的意思是：

對(duì)于給定任務(wù)，X的執(zhí)行時(shí)間比Y的執(zhí)行時(shí)間少。X的性能是Y的n倍：執(zhí)行時(shí)間與性能成反比：執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X=nn===執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X性能Y1性能X1性能X性能Y1.3定量分析技術(shù)執(zhí)行時(shí)間可以有多種定義：計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括磁盤訪問、存儲(chǔ)器訪問、輸入/輸出、操作系統(tǒng)開銷等。CPU時(shí)間：CPU執(zhí)行所給定的程序所花費(fèi)的時(shí)間，不包含I/O等待時(shí)間以及運(yùn)行其它程序的時(shí)間。用戶CPU時(shí)間：用戶程序所耗費(fèi)的CPU時(shí)間。系統(tǒng)CPU時(shí)間：用戶程序運(yùn)行期間操作系統(tǒng)耗費(fèi)的CPU時(shí)間。1.3定量分析技術(shù)1.4.2基準(zhǔn)測(cè)試程序用于測(cè)試和比較性能的基準(zhǔn)測(cè)試程序的最佳選擇是真實(shí)應(yīng)用程序。

（例如編譯器）以前常采用簡化了的程序，例如：核心測(cè)試程序：從真實(shí)程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu)成的小程序。小測(cè)試程序：簡單的只有幾十行的小程序。合成的測(cè)試程序：人工合成出來的程序。Whetstone與Dhrystone是最流行的合成測(cè)試程序。

從測(cè)試性能的角度來看，上述測(cè)試程序不可信了。1.3定量分析技術(shù)原因：這些程序比較小，具有片面性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和編譯器的設(shè)計(jì)者可以“合謀”把他們的機(jī)器面向這些測(cè)試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該機(jī)器顯得性能更高。性能測(cè)試的結(jié)果除了和采用什么測(cè)試程序有關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測(cè)試有關(guān)?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序設(shè)計(jì)者對(duì)制造商的要求采用同一種編譯器；對(duì)同一種語言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。1.3定量分析技術(shù)基準(zhǔn)測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成。（能比較全面地反映計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能）SPEC系列：最成功和最常見的測(cè)試程序套件（美國的標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試公司創(chuàng)建）桌面計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)測(cè)試程序套件可以分為兩大類：

處理器性能測(cè)試程序，圖形性能測(cè)試程序1.3定量分析技術(shù)SPEC89：用于測(cè)試處理器性能。10個(gè)程序（4個(gè)整數(shù)程序，6個(gè)浮點(diǎn)程序）演化出了4個(gè)版本

SPEC92：20個(gè)程序

SPEC95：18個(gè)程序

SPEC2000：26個(gè)程序

SPECCPU2006：

29個(gè)程序SPECCPU2006整數(shù)程序12個(gè)（CINT2006）

9個(gè)是用C寫的，3個(gè)是用C++寫的浮點(diǎn)程序17個(gè)（CFP2006）

6個(gè)是用FORTRAN寫的，4個(gè)是用C++寫的，3個(gè)是用C寫的，4個(gè)是用C和FORTRAN混合編寫的。1.3定量分析技術(shù)SPEC測(cè)試程序套件中的其它一系列測(cè)試程序組件SPECSFS：用于NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測(cè)試程序。它不僅測(cè)試處理器的性能，而且測(cè)試I/O系統(tǒng)的性能。它重點(diǎn)測(cè)試吞吐率。SPECWeb：Web服務(wù)器測(cè)試程序。SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫的性能。SPECapc：用于測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能。1.3定量分析技術(shù)事務(wù)處理（TP）性能測(cè)試程序：用于測(cè)試計(jì)算機(jī)在事務(wù)處理方面的能力，包括數(shù)據(jù)庫訪問和更新等。20世紀(jì)80年代中期，一些工程師成立了稱為TPC的獨(dú)立組織，目的是開發(fā)用于TP性能測(cè)試的真實(shí)而公平的基準(zhǔn)程序。先后發(fā)布了多個(gè)版本： TPC-A、TPC-C、TPC-H、TPC-W、TPC-App等

（主要用于測(cè)試服務(wù)器的性能）1.3定量分析技術(shù)用于測(cè)試基于Microsoft公司的Windows系列操作系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試套件PCMark04:中央處理器測(cè)試組、內(nèi)存測(cè)試組、圖形芯片測(cè)試組、硬盤測(cè)試組等。BusinessWinstone2004：主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用的綜合性能。MultimediaContentCreationWinstone2004：主要用于測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多媒體應(yīng)用的綜合性能。SiSoftSandraPro2004：一套功能強(qiáng)大的系統(tǒng)分析評(píng)比工具，擁有超過30中以上的分析與測(cè)試模塊。主要包括：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、I/O設(shè)備、主板等。1.3定量分析技術(shù)1.4.3性能比較機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器CW（1）

W（2）

W（3）

程序11.0010.0020.000.500.9090.999程序21000.0010.0020.000.500.0910.001加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（1）500.5010.0020.00加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（2）91.9110.0020.00加權(quán)算術(shù)平均值A(chǔ)m（3）2.0010.0020.00兩個(gè)程序在A、B、C三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間Wi：第i個(gè)測(cè)試程序在測(cè)試程序組中所占的比重1.3定量分析技術(shù)如何比較這三臺(tái)機(jī)器的性能呢？從該表可以得出：執(zhí)行程序1:A機(jī)的速度是B機(jī)的10倍A機(jī)的速度是C機(jī)的20倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍執(zhí)行程序2:B機(jī)的速度是A機(jī)的100倍C機(jī)的速度是A機(jī)的50倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍1.3定量分析技術(shù)總執(zhí)行時(shí)間：機(jī)器執(zhí)行所有測(cè)試程序的總時(shí)間B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的50.05倍C機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的24.02倍B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是C機(jī)的2倍平均執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的算術(shù)平均值其中：Ti：第i個(gè)測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間

n：測(cè)試程序組中程序的個(gè)數(shù)1.3定量分析技術(shù)加權(quán)執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的加權(quán)平均值其中，Wi：第i個(gè)測(cè)試程序在測(cè)試程序組中所占的比重

Ti：該程序的執(zhí)行時(shí)間1.3定量分析技術(shù)調(diào)和平均值法其中，Ri：由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速度

Ri＝1/TiTi：第i個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間加權(quán)調(diào)和平均值公式

1.3定量分析技術(shù)幾何平均值法：以某臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其他計(jì)算機(jī)性能則除以該參考標(biāo)準(zhǔn)而獲得一個(gè)比值。

Ri：由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速度Ri＝1/Ti加權(quán)幾何平均值Gm表示法有一個(gè)很好的特性

幾何平均值的比等于比的幾何平均值

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，機(jī)器一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心。在存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)同等對(duì)待。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。存儲(chǔ)器是按地址訪問、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展指令的執(zhí)行是順序的。一般是按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行。程序的分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。由指令計(jì)數(shù)器PC指明當(dāng)前正在執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的地址。指令由操作碼和地址碼組成。指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)輸入/輸出方式的改進(jìn)采用并行處理技術(shù)如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？在不同的級(jí)別采用并行技術(shù)。例如：微操作級(jí)、指令級(jí)、線程級(jí)、進(jìn)程級(jí)、任務(wù)級(jí)等。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展相聯(lián)存儲(chǔ)器與相聯(lián)處理機(jī)通用寄存器組高速緩沖存儲(chǔ)器Cache指令系統(tǒng)的發(fā)展兩個(gè)發(fā)展方向：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC精減指令集計(jì)算機(jī)RISC1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.2軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件的可移植性：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)機(jī)器移植到另一臺(tái)機(jī)器上正確地運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。我們稱這兩臺(tái)機(jī)器是軟件兼容的。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法采用系列機(jī)，模擬與仿真，統(tǒng)一高級(jí)語言。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.系列機(jī)由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。較好地解決軟件開發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾。軟件兼容：1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件兼容：向上（下）兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的機(jī)器。向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場的機(jī)器。向后兼容是系列機(jī)的根本特征。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展系列機(jī)軟件必須保證向后兼容力爭向上兼容至于之后的軟件完全可以發(fā)展，不一定非要向前兼容。不一定要向下兼容，特別是與機(jī)器速度有關(guān)的實(shí)時(shí)性軟件向下兼容就難以做到。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展2.模擬和仿真使軟件能在具有不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器之間相互移植。在一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從指令集的角度來看，就是要在一種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展模擬：例如，要求用原來在B機(jī)器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件，能移植到有不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的A機(jī)器上，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)概念，可把B機(jī)器的機(jī)器語言看成是在A機(jī)器的機(jī)器語言級(jí)之上的一個(gè)虛擬機(jī)器語言，在A機(jī)器上用虛擬機(jī)的概念來實(shí)現(xiàn)B機(jī)器的指令系統(tǒng)。B機(jī)器的每條機(jī)器指令用A機(jī)器的一段機(jī)器語言程序解釋，如同A機(jī)器上也有B機(jī)器的指令系統(tǒng)一樣。這種用機(jī)器語言程序解釋實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法稱為模擬。進(jìn)行模擬的A機(jī)器稱為宿主機(jī)，被模擬的B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。通常用解釋的方法來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行速度較慢，性能較差。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展仿真如果宿主機(jī)本身采用微程序控制，那么模擬時(shí)，一條B機(jī)器指令就需要通過二重解釋。先經(jīng)A機(jī)器的機(jī)器語言程序解釋，然后每條A機(jī)器指令又經(jīng)一段微程序解釋。如果能直接用微程序去解釋B機(jī)器的指令，顯然就會(huì)加快這一解釋過程。這種用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng)的方法就稱為仿真。進(jìn)行仿真的A機(jī)器稱為宿主機(jī)，被仿真的B機(jī)器稱為目標(biāo)機(jī)。運(yùn)行速度比模擬方法的快仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展仿真和模擬的主要區(qū)別在于解釋用的語言。仿真是用微程序解釋，而模擬是用機(jī)器語言程序解釋。不同系列間的軟件移植一般是仿真和模擬并行。頻繁使用的、易于仿真的機(jī)器指令宜用仿真以提高速度，很少使用的、難以仿真的指令及I/O操作宜用模擬。即使兩種機(jī)器系統(tǒng)差別不大，往往也需用模擬來完成機(jī)器間的映象。3.統(tǒng)一高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)軟件移植的一種理想的方法較難實(shí)現(xiàn)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.3器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍的因素摩爾定律集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番。計(jì)算機(jī)的分代主要以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。它們?cè)谄骷?、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)等方面都有各的特征。SMP：對(duì)稱式共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)

MPP：大規(guī)模并行處理機(jī)1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展分代器件特征結(jié)構(gòu)特征軟件特征典型實(shí)例第一代（1945—1954年）電子管和繼電器存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)程序控制I/O機(jī)器語言匯編語言普林斯頓ISA，ENIAC，IBM701第二代（1955—1964年）晶體管、磁芯印刷電路浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示尋址技術(shù)中斷、I/O處理機(jī)高級(jí)語言和編譯批處理監(jiān)控系統(tǒng)UnivacLAPC，CDC1604，IBM7030第三代（1965—1974年）SSI和MSI多層印刷電路微程序流水線、Cache先行處理系列機(jī)多道程序分時(shí)操作系統(tǒng)IBM360/370，CDC6600/7600，DECPDP-8第四代（1975—1990年）LSI和VLSI半導(dǎo)體存儲(chǔ)器向量處理分布式存儲(chǔ)器并行與分布處理Cray-1，IBM3090，DECVAX9000，Convax-1第五代（1991年—）高性能微處理器高密度電路超標(biāo)量、超流水SMP、MP、MPP機(jī)群大規(guī)模、可擴(kuò)展并行與分布處理SGICrayT3E，IBMSP2，DECAlphaServer84001.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.4應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響不同的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了不同的要求。應(yīng)用需求是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動(dòng)力。一些特殊領(lǐng)域：需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算氣象