1、1并行计算机体系结构2022-5-152一、课程目标一、课程目标1.1.并行性理论的研究并行性理论的研究 并行计算机系统模型与体系结构；并行计算机系统模型与体系结构； 并行程序设计模型与通信模型；并行程序设计模型与通信模型； 并行计算机性能评测方法；并行计算机性能评测方法； 可扩展性原理及实现方法。可扩展性原理及实现方法。2.2.并行技术和结构的研究并行技术和结构的研究 微处理器并行技术；微处理器并行技术； 互连网络技术；互连网络技术； 共享存储技术及体系结构；共享存储技术及体系结构； 分布存储技术与可扩展体系结构；分布存储技术与可扩展体系结构； 通信时延包容技术。通信时延包容技术。2022-
2、5-153二、参考教材二、参考教材1 1、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社，、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04ISBN 7-0411558-111558-1，2002.92002.92 2、并行计算机体系结构，、并行计算机体系结构，David David E.CullerE.Culler等著，李晓明等译，等著，李晓明等译，机械工业出版社，机械工业出版社，ISBN 7-111-07888-8ISBN 7-111-07888-8，2002.102002.103 3、可扩展并行计算、可扩展并行计算技术、结构与编程，技术、结构与编程，黄铠、徐志伟著，陆
3、黄铠、徐志伟著，陆鑫达鑫达等译等译，机械工业出版社，机械工业出版社，2000.52000.54 4、计算机系统结构、计算机系统结构一种定量的方法一种定量的方法( (第第5 5版版) )，John L. John L. HennessyHennessy等著，郑纬民等译等著，郑纬民等译，清华大学出版社，清华大学出版社，2002.82002.85 5、计算机系统结构、计算机系统结构( (第二版第二版) )，郑纬民、汤志忠著郑纬民、汤志忠著，清华大学出，清华大学出版社版社，1998.91998.92022-5-154第一章第一章 系统结构设计基础系统结构设计基础 2022-5-155第一节第一节 计算
4、机系统结构概念计算机系统结构概念 一、一、计算机系统结构概念计算机系统结构概念 1 1、计算机系统层次结构、计算机系统层次结构软硬件软硬件交界面交界面L6L6：应用语言级：应用语言级L5L5：高级语言级：高级语言级L4L4：汇编语言级：汇编语言级L3L3：操作系统级：操作系统级L2L2：机器语言级：机器语言级L1L1：微程序机器级：微程序机器级L0L0：电子：电子线路线路 硬件硬件固件固件软件软件虚拟机器虚拟机器实际机器实际机器翻译（应用程序包）翻译（应用程序包）翻译（编译程序）翻译（编译程序）翻译（汇编程序）翻译（汇编程序）解释解释硬件直接执行硬件直接执行部分解释部分解释计算机语言实现技术计
5、算机语言实现技术回下页2022-5-1562 2、计算机系统设计方法、计算机系统设计方法(1)(1)由上向下方法由上向下方法 从软件到硬件，适合专用机的设计从软件到硬件，适合专用机的设计 结果：结果：形成软、硬脱节形成软、硬脱节(2)(2)由下向上方法由下向上方法 从硬件到软件，适合通用机的设计从硬件到软件，适合通用机的设计 结果：结果：形成软、硬脱节形成软、硬脱节(3)(3)从中间开始方法从中间开始方法 从从软、硬件交界面软、硬件交界面开始设计开始设计 要求：要求：不断进行交互、优化设计不断进行交互、优化设计 需要较好的评价工具和方法需要较好的评价工具和方法转上页2022-5-1573 3、
6、系统结构定义、系统结构定义 * *精确定义：精确定义：机器语言程序员、编译程序编写者机器语言程序员、编译程序编写者所看到的计所看到的计算机的算机的属性属性，即概念性结构和功能特性，即概念性结构和功能特性 概念性结构概念性结构系统的软、硬件功能界面；系统的软、硬件功能界面； 功能特性功能特性界面的功能分配，即界面的接口或组织界面的功能分配，即界面的接口或组织 * *实质：实质：研究研究软硬件软硬件之间的界面定义之间的界面定义及及其上下的功能分配其上下的功能分配 * *基本定义：基本定义：程序员程序员所看到的计算机的所看到的计算机的属性属性 * *研究内容：研究内容：数据表示、寻址方式、指令系统，
7、寄存器组织数据表示、寻址方式、指令系统，寄存器组织; ; 存储系统；存储系统； 中断机构、中断机构、I/OI/O结构；结构； 机器工作状态定义和切换、信息保护机器工作状态定义和切换、信息保护回下页2022-5-158CPUCPU键盘接口键盘接口键盘键盘显卡显卡显示器显示器MEMMEM磁盘接口磁盘接口磁盘磁盘机器语言级机器语言级机器机器输入设备触发程序执行输入设备触发程序执行指令系统指令系统程序员看到程序员看到的属性的属性信息保护信息保护机器状态机器状态存储系统存储系统I/OI/O系统系统中断系统中断系统计算机系统结构包含内容示意图计算机系统结构包含内容示意图进程管理程序进程管理程序作业管理程序
8、作业管理程序文件管理程序文件管理程序存储管理程序存储管理程序设备管理程序设备管理程序信息保护信息保护操作系统级操作系统级机器机器注：注： 作业管理作业管理包含用户界包含用户界面面功能功能转上页2022-5-159 计算机组成包含内容计算机组成包含内容数据通路宽度、专用部件设计、数据通路宽度、专用部件设计、各种各种OSOS共享程度、功能部件并行度、控制机构组成方式、排队共享程度、功能部件并行度、控制机构组成方式、排队与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等 * *系统结构、计算机组成、物理实现三者关系：系统结构、计算机组成、物理实现三者关系： 1 1 :
9、n: n 1 1 : : m m 系统结构系统结构 计算机组成计算机组成 物理实现物理实现 * *计算机组成：计算机组成： 定义定义计算机系统设计人员计算机系统设计人员看到的基本属性看到的基本属性 实质实质是系统结构的是系统结构的逻辑实现逻辑实现2022-5-15104 4、计算机系统结构设计步骤、计算机系统结构设计步骤(1)(1)需求分析需求分析 在应用环境、所用语言种类及特性、对在应用环境、所用语言种类及特性、对OSOS的特殊要求、所的特殊要求、所用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面进行分析用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面进行分析(2)(2)需求说明需求说明 形成形成、功能说明
10、、器件性能说明、功能说明、器件性能说明等需求等需求(3)(3)概念性设计概念性设计 进行软、硬件功能分析，确定机器级界面进行软、硬件功能分析，确定机器级界面(4)(4)具体设计具体设计 机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种方案机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种方案(5)(5)反复进行评价及优化设计反复进行评价及优化设计2022-5-15115 5、并行并行体系结构体系结构 * *并行计算机并行计算机：是是一组相互通信、相互一组相互通信、相互协作的处理单元，协作的处理单元， 用以快速求解大型问题用以快速求解大型问题总线或互连网络总线或互连网络SMSMSMLMMBNICP/CLMMBNICP
11、/C互连网络互连网络LMMBNICBridgeP/CIOBNICLMMBNICBridgeP/CIOBNIC2022-5-1512 * *并行并行体系结构：体系结构： 由宏体系结构、微体系结构两部分组成由宏体系结构、微体系结构两部分组成 微体系结构微体系结构节点内部结构节点内部结构, ,主要为处理器主要为处理器及其壳的及其壳的结构结构 宏体系结构宏体系结构并行计算机的并行计算机的整体结构，整体结构，包括节点间互连、包括节点间互连、通信、存储器访问等方面通信、存储器访问等方面 * *并行并行体系结构研究内容：体系结构研究内容： 互互 连连结构模型、互连网络结构模型、互连网络 存储器存储器访存模型
12、、访存模型、一致性模型一致性模型(Cache/(Cache/存储存储) ) 交交 互互编程模型、编程模型、通信机构、同步机构通信机构、同步机构2022-5-1513二、二、计算机系统结构分类计算机系统结构分类1 1、FlynnFlynn分类法分类法 * *分类原理：分类原理：按按指令流和数据流的多倍性指令流和数据流的多倍性进行分类进行分类 * *结构种类：结构种类：SISDSISD，SIMDSIMD，MISDMISD，MIMDMIMDSISDCUMMISISPUDSSIMDCUMMmDS1ISISMM1PUnDSnPU1MISDDSIS1IS1ISnDSISnMMmMM1PU1PU1CU1CU
13、1MIMDDS1IS1IS1ISnDSnISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1 * *缺点：缺点：对流水线处理机的分类不明确对流水线处理机的分类不明确2022-5-15142 2、HandlerHandler分类法分类法 * *分类原理：分类原理：在三个在三个层次，层次，按并行程度及按并行程度及流水处理流水处理程度分类程度分类 层次层次 PCUPCU（程序控制部件或（程序控制部件或宏流水宏流水） K K级级 ALUALU（算术逻辑部件（算术逻辑部件或指令流水或指令流水） D D级级 ELCELC（基本逻辑线路或（基本逻辑线路或操作流水操作流水） W W级级 描述描述 T(C) T(C)K
14、其中：其中：K K为为PCUPCU数、数、K K为宏流水级数为宏流水级数(PCU(PCU数数) )， D D为每个为每个PCUPCU中中ALUALU数、数、D D为指令流水级数为指令流水级数(ALU(ALU数数) )， W W为为ALUALU或或PEPE字长，字长，W W为操作流水线级数为操作流水线级数(ELC(ELC套数套数) ) * *特点：特点：对并行及流水线的程度有清晰的描述对并行及流水线的程度有清晰的描述 注：注：流水属并行的一种类型，但有所不同；流水属并行的一种类型，但有所不同； 并行程度越好，性能越高并行程度越好，性能越高2022-5-15153 3、冯氏冯氏分类法分类法 * *
15、分类原理：分类原理：按照系统的最大并行程度进行分类按照系统的最大并行程度进行分类 * *最大并行度：最大并行度：单位时间内能处理的最大二进制位数单位时间内能处理的最大二进制位数 即即 P Pm m= =位片宽位片宽字宽字宽位片宽位片宽字宽字宽SISDSIMD（MPP）SIMDMIMD1mn1mn2022-5-15164 4、按控制方式按控制方式分类分类 * *分类原理：分类原理：按程序执行的控制方式分类按程序执行的控制方式分类 * *分类结果：分类结果：共有共有4 4种种 控制流方式控制流方式指令按逻辑顺序指令按逻辑顺序执行执行( (如冯如冯诺依曼模型诺依曼模型) )； 数据流方式数据流方式只
16、要操作数到位，指令即可执行，只要操作数到位，指令即可执行， 无序执行无序执行(，源，源目的求解过程目的求解过程) )； 规约方式规约方式当需要该指令结果时，该指令才会执行，当需要该指令结果时，该指令才会执行， 无序执行无序执行(，目的，目的源源目的求解过程目的求解过程) )； 匹配方式匹配方式由谓词模式匹配驱动指令的执行，由谓词模式匹配驱动指令的执行， 适合非数值型数据应用，常用于智能型计算机适合非数值型数据应用，常用于智能型计算机 * *特点：特点：除控制流方式外，其它的并行程度较好除控制流方式外，其它的并行程度较好2022-5-1517第二节第二节 系统设计的定量原理系统设计的定量原理 一
17、、大概率事件优先原则一、大概率事件优先原则 * *基本思想：基本思想：对大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权对大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权, ,以获得全局的最优结果以获得全局的最优结果 该原则是系统设计中该原则是系统设计中最重要最重要和和最常用最常用的原则的原则 * *应用举例：应用举例： 指令系统指令系统指令操作码采用霍夫曼编码；指令操作码采用霍夫曼编码； 溢出处理溢出处理优化不溢出情况的处理；优化不溢出情况的处理； 存储系统存储系统层次结构使高频使用数据存取速度更快，层次结构使高频使用数据存取速度更快， 虚拟存储器的虚拟存储器的TLBTLB用高速芯片组成用高速芯片组成2022-
18、5-1518二、二、AmdahlAmdahl定律定律 * *基本思想：基本思想：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例erefeefTTpS)1(10 * *应用：应用：使用该定律可改善使用该定律可改善“系统瓶颈系统瓶颈”性能性能 * *举例：举例：某功能处理时间占系统时间的某功能处理时间占系统时间的40%40%，将其处理速度加，将其处理速度加快快1010倍后，整个系统性能提高多少？倍后，整个系统性能提高多少？ 解解已知已知f fe e=0.4=0.4，r re
19、 e=10=10，利，利用用AmdahlAmdahl定律，则定律，则 S Sp p=1.56=1.560.00.51.0feSp1015 r re e=10=10时时S Sp p和和f fe e的关系如右图：的关系如右图： 方法方法若改善某部件性能后，系统性能急剧提高，若改善某部件性能后，系统性能急剧提高， 则该部件为则该部件为“系统瓶颈系统瓶颈”2022-5-1519三、程序访问的局部性原理三、程序访问的局部性原理 * *基本思想：基本思想：程序执行时，呈现出频繁重复使用那些程序执行时，呈现出频繁重复使用那些“簇聚簇聚”的数据和指令的规律，包含的数据和指令的规律，包含时间局部性和空间局部性时
20、间局部性和空间局部性 时间局部性时间局部性- 近期被访问的信息，可能马上被访问近期被访问的信息，可能马上被访问 空间局部性空间局部性- 与被访问地址相邻的信息可能会一起被访问与被访问地址相邻的信息可能会一起被访问 * *应用：应用：层次存储体系设计层次存储体系设计2022-5-1520四、软硬件取舍原则四、软硬件取舍原则1 1、现有软硬件条件下，所选现有软硬件条件下，所选方法应有助于方法应有助于提高系统的性能提高系统的性能/ /价格价格 例：例：2 2、所选、所选方法应尽量方法应尽量不限制计算机组成和实现技术不限制计算机组成和实现技术 例：例：数据表示设计不应限制数据宽度与之一一对应；数据表示
21、设计不应限制数据宽度与之一一对应； 主存容量设计不应限制是否采用多体交叉存储器等主存容量设计不应限制是否采用多体交叉存储器等3 3、所选、所选方法应能够方法应能够对编译程序和操作系统的实现提供好的支持对编译程序和操作系统的实现提供好的支持 例：例：指令系统中增加指令系统中增加OSOS所需指令；所需指令； 根据编译要求设置一定数量通用寄存器等根据编译要求设置一定数量通用寄存器等研制费用研制费用生产费用生产费用产品费用产品费用硬件方法硬件方法D Dh hM Mh hD Dh h/V+M/V+Mh h软件方法软件方法C CD Ds sR RM Ms sC CD Ds s/V+R/V+RM Ms s说
22、明：说明：VV设备数量，设备数量，CC重复设计次数，重复设计次数，RR复制次数复制次数2022-5-152022-5-152122第三节第三节 计算机系统性能评价计算机系统性能评价 一、计算机系统性能一、计算机系统性能 * *计算机性能：计算机性能：正确性、可靠性和工作能力正确性、可靠性和工作能力 响应时间响应时间指任务从输入到结果输出的所有时间，指任务从输入到结果输出的所有时间， 反映反映CPUCPU、I/OI/O系统及系统及OSOS等的总体性能；等的总体性能； 正确性：正确性：与数学计算结果比较，通常认为是正确的与数学计算结果比较，通常认为是正确的 可靠性：可靠性：用平均无故障时间表示，通
23、常认为是可靠的用平均无故障时间表示，通常认为是可靠的 工作能力：工作能力：即系统的速度，通常用程序执行时间表示；即系统的速度，通常用程序执行时间表示； 可分为峰值性能和持续性能可分为峰值性能和持续性能 吞吐率吞吐率指单位时间内能处理的作业或任务数量，指单位时间内能处理的作业或任务数量， 反映系统的多任务处理性能反映系统的多任务处理性能2022-5-15231 1、响应时间、响应时间 响应时间指一个任务从输入到输出的总时间响应时间指一个任务从输入到输出的总时间 T T响应响应T TCPUCPUT T系统系统CPUCPUT T用户用户CPUCPUI IN NCPICPIT TC C CPI CPI
24、包含包含ALUALU、访问、访问MEMMEM及及I/OI/O的时间的时间( (含等待时间含等待时间) )性能因子性能因子系统属性系统属性I IN Np pm mk kT TC C指令系统结构指令系统结构编译技术编译技术PEPE实现与控制技术实现与控制技术CacheCache和内存层次结构和内存层次结构 * *特点：特点：能够反映软硬件系统的能够反映软硬件系统的总体性能总体性能，但不易测量，但不易测量 * *影响影响T TCPUCPU的的因素：因素： T TCPU CPU I IN NCPICPIT TC CI IN N(p(pm mk k) )T TC C 其中其中 pp处理周期数处理周期数/
25、 /指令，指令，mm访存次数访存次数/ /指令，指令，kk访存时延访存时延2022-5-15242 2、吞吐率、吞吐率 * *定义：定义：指单位时间内能够处理作业指单位时间内能够处理作业( (或任务或任务) )的数量的数量 吞吐率吞吐率 = n nn n个任务总时间个任务总时间 * *常用标准：常用标准：对作业对作业( (或任务或任务) )的定义无法统一的定义无法统一 MIPS( MIPS(每秒百万次指令每秒百万次指令)-)-66C610CPI10TCPI110MIPS时钟频率程序执行时间程序中指令条数 MIPSMIPS不能反映指令功能强弱，常用相对不能反映指令功能强弱，常用相对MIPSMIP
26、S表示表示 MFLOPS( MFLOPS(每秒百万次浮点运算每秒百万次浮点运算)610MFLOPS程序执行时间程序中浮点操作次数 不同操作不同操作通过正则化方法实现通过正则化方法实现关联，关联， MFLOPSMFLOPS只能反映浮点操作能力只能反映浮点操作能力2022-5-15253 3、利用率、利用率 * *定义：定义：利用率持续性能利用率持续性能峰值性能峰值性能 * *特点：特点：不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系；不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系； 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！ * *提高吞吐率方法：提高吞吐率
27、方法： 流水化流水化-使多个作业流水处理；使多个作业流水处理； 并行处理并行处理-给每个给每个PEPE分配分配多个作业，各多个作业，各PEPE相互相互协调协调 * *特点：特点：吞吐率与吞吐率与I/OI/O软硬件组织方式及软硬件组织方式及OSOS有很大关系；有很大关系； 能够反映能够反映软硬件系统软硬件系统对对多任务多任务的响应能力的响应能力2022-5-15264 4、系统可扩放性、系统可扩放性 常用于评价多机系统的并行处理能力常用于评价多机系统的并行处理能力),(),()1 ,(),(nphnpTpTnpS 其中其中 p-问题规模，问题规模，n-处理器数量，处理器数量，h-通信时间通信时间
28、 衡量方法衡量方法-测量不同测量不同n时的加速比，时的加速比， 得到性能可扩放性曲线得到性能可扩放性曲线 * *性能加速比：性能加速比：多机系统相对于单机系统性能提高的比例多机系统相对于单机系统性能提高的比例 * *系统可扩放性：系统可扩放性：系统性能随处理机数系统性能随处理机数n增加而增长的比例增加而增长的比例 =fS(n) 影响因素影响因素结构、处理器数、问题规模、存储系统等结构、处理器数、问题规模、存储系统等S Sn n1 1B B系统系统A A系统系统2022-5-1527二、性能评价与比较二、性能评价与比较1 1、评价技术、评价技术(1)(1)分析技术分析技术 * *思路：思路：在一
29、定假设条件下，计算机系统参数与在一定假设条件下，计算机系统参数与性能指标间性能指标间存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用数学方法求解后评价数学方法求解后评价 * *发展：发展：从脱离实际的假设发展到近似求解从脱离实际的假设发展到近似求解 近似求解算法近似求解算法聚合法、均值分析法、扩散法等聚合法、均值分析法、扩散法等 * *应用：应用：可应用于可应用于设计中系统设计中系统的分析与评价的分析与评价回下页 例例A A机执行的程序中有机执行的程序中有20%20%转移指令转移指令( (需需2T2TC C) )，转移指令都需，转移指
30、令都需要一条比较指令要一条比较指令( (需需1T1TC C) )配合，其他指令均为配合，其他指令均为1T1TC C。B B机中机中转移指转移指令包含令包含比较比较指令功能，指令功能，但但T TC C比比A A机慢机慢15%15%。执行。执行该程序时该程序时，A A机、机、B B机哪个机哪个工作速度快？工作速度快？2022-5-1528(2)(2)模拟技术模拟技术 * *思路：思路：建立模拟器，模拟系统性能模型和工作负载模型，建立模拟器，模拟系统性能模型和工作负载模型，对运行后的数据进行统计、分析和评价对运行后的数据进行统计、分析和评价 * *方法：方法： 按被评价系统的运行特性建立按被评价系统
31、的运行特性建立系统模型系统模型； 按系统可能有的工作负载特性建立按系统可能有的工作负载特性建立工作负载模型工作负载模型； 用语言编写模拟程序，用语言编写模拟程序，模仿模仿被评价系统的被评价系统的运行运行； 设计模拟实验，依照评价目标，选择与目标有关因素，设计模拟实验，依照评价目标，选择与目标有关因素，得出实验值，再得出实验值，再进行统计、分析进行统计、分析 * *应用：应用：可应用于可应用于设计中或实际应用中系统设计中或实际应用中系统的分析与评价；的分析与评价； 可与分析技术相结合，构成一个混合系统可与分析技术相结合，构成一个混合系统转上页2022-5-1529(3)(3)测量技术测量技术 *
32、 *思路：思路：通常采用基准测试程序对系统进行实际性能评价通常采用基准测试程序对系统进行实际性能评价 * *基准测试程序：基准测试程序： 有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次 第一个层次第一个层次用于测试系统总体性能；用于测试系统总体性能； 后两个层次后两个层次-用于测试部件用于测试部件( (如如CPUCPU、I/OI/O系统等系统等) )性能性能 基准测试程序基准测试程序具有三个层次的具有三个层次的测试程序组测试程序组，典型的有，典型的有SPECSPEC程序组程序组，包含测试，包含测试多多个领域个领域、三个层次的测试程序、三个层次的测试
33、程序 * *应用：应用：只能应用于只能应用于实际使用中系统实际使用中系统的分析与评价；的分析与评价； 通常根据系统的设计需求通常根据系统的设计需求( (应用领域应用领域) )选择基准测试选择基准测试程序组中的程序组中的部分测试程序部分测试程序进行测量进行测量2022-5-15302 2、比较技术比较技术 * *目的：目的：根据根据多种测试多种测试结果结果，比较，比较不同系统的优劣不同系统的优劣 * *方法：方法：算术平均、几何平均、调和平均方法算术平均、几何平均、调和平均方法(1)(1)算术平均方法算术平均方法niTnniinmiRA11111基准测基准测试程序试程序处理机处理机XYZB120
34、(1.00) 10(0.50) 40(2.00)B240(1.00) 80(2.00) 20(0.50)Am (1.00)(1.25)(1.25)基准测基准测试程序试程序处理机处理机XYZB120(2.00) 10(1.00) 40(4.00)B240(0.50) 80(1.00) 20(0.25)Am (1.25)(1.00)(2.13) * *特性：特性：选择不同的参考机，选择不同的参考机，Am结论不同结论不同回下页2022-5-1531(2)(2)几何平均方法几何平均方法nniTnniimiRG)()(111基准测基准测试程序试程序处理机处理机XYZB120(1.00) 10(0.50)
35、 40(2.00)B240(1.00) 80(2.00) 20(0.50)Gm (1.00)(1.00)(1.00) 特性：特性：Gm性能与参考计算机性能无关性能与参考计算机性能无关 依据依据Gm(Xi)/Gm(Yi)=Gm(Xi/Yi)基准测基准测试程序试程序处理机处理机XYZB120(2.00) 10(1.00) 40(4.00)B240(0.50) 80(1.00) 20(0.25)Gm (1.00)(1.00)(1.00)(3)(3)调和平均方法调和平均方法nniiniiRTTnTnnmH.1111 特性：特性：H Hm m最接近最接近CPUCPU的实际性能的实际性能 依据依据H Hm
36、 m与所有测试程序时间总和成反比关系与所有测试程序时间总和成反比关系转上页2022-5-1532一、一、影响影响计算机系统结构发展因素计算机系统结构发展因素1 1、软件对系统结构发展的影响、软件对系统结构发展的影响 * *影响因素：影响因素：软件可移植性软件可移植性(1)(1)系列机系列机 * *思想：思想：具有相同系统结构或扩充原系统结构，组成或实现具有相同系统结构或扩充原系统结构，组成或实现技术不同，来实现软件可移植性技术不同，来实现软件可移植性 * *影响一影响一：新新的组成与实现技术很快得到应用，大量兼容产的组成与实现技术很快得到应用，大量兼容产品的出现，品的出现，推动推动了系统结构的
37、发展了系统结构的发展 系列机要求系列机要求保证向后兼容，保证向后兼容， 力争向上兼容力争向上兼容时间时间机器档次机器档次当前机器当前机器向上兼容向上兼容向下兼容向下兼容高高低低向后兼容向后兼容向前兼容向前兼容 * *影响二影响二：要求要求系统结构基本不系统结构基本不变，变，限制限制了系统结构的发展了系统结构的发展回下页第四节第四节 系统系统结构的结构的发展发展 2022-5-1533(2)(2)模拟与仿真模拟与仿真 * *模拟：模拟：用用机器语言机器语言解释来实现软件移植解释来实现软件移植 需模拟目标机指令系统、存储系统、需模拟目标机指令系统、存储系统、I/OI/O系统、系统、OSOS等的操作
38、等的操作 * *仿真：仿真：用用微程序微程序直接解释另一种指令系统直接解释另一种指令系统 需解释目标机需解释目标机I/OI/O系统、系统、OSOS等的操作等的操作 * *比较：比较：解释程序存放位置、是否有硬件参与方面不同；解释程序存放位置、是否有硬件参与方面不同； 在解释指令系统、存储系统、在解释指令系统、存储系统、I/OI/O系统、系统、OSOS方面相同方面相同(3)(3)统一高级语言方法统一高级语言方法 存在一定的困难，可争取汇编语言或接口存在一定的困难，可争取汇编语言或接口/ /技术的统一技术的统一 * *方案方案1 1：采用采用统一的中间语言统一的中间语言( (如如Java)Java
39、)，通过解释执行以适，通过解释执行以适应不同的系统结构应不同的系统结构 * *方案方案2 2：采用标准的采用标准的开放系统开放系统( (具有可移植性、交互操作性具有可移植性、交互操作性),),用用硬件抽象层技术硬件抽象层技术适应不同的系统结构适应不同的系统结构转上页2022-5-15342 2、应用对系统结构发展的影响、应用对系统结构发展的影响 * *应用背景：应用背景：应用领域、功能及性能要求有所不同应用领域、功能及性能要求有所不同 * *应用需求：应用需求：高速度、大容量、大吞吐率高速度、大容量、大吞吐率 * *系统结构设计思路：系统结构设计思路： 分成不同级别的系统，以提高性能分成不同级
40、别的系统，以提高性能/ /价格价格 巨、大型机巨、大型机研究专用系统结构、组成研究专用系统结构、组成技术技术 其它型机其它型机研究通用系统结构研究通用系统结构( (吸纳先进结构与技术吸纳先进结构与技术) ) * *系统结构发展趋势：系统结构发展趋势： 保持价格基本不变，提高保持价格基本不变，提高性能性能 保持性能基本不变，降低价格保持性能基本不变，降低价格价格价格时间时间等性能线等性能线巨型机巨型机大型机大型机中、小型机中、小型机微型机微型机 * *对系统结构影响：对系统结构影响： 专用专用系统结构系统结构无限制无限制( (应用是原动力应用是原动力) ) 通用通用系统结构系统结构如何有效实现专
41、用结构如何有效实现专用结构通用结构通用结构2022-5-15353 3、器件对系统结构发展的影响、器件对系统结构发展的影响 * *器件使用方法：器件使用方法： 通用片通用片现场现场片片半用户片半用户片用户片用户片 * *对系统结构影响：对系统结构影响： 器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展 如如器件性能、使用方法影响系统结构及组成方法，器件性能、使用方法影响系统结构及组成方法， 器件性器件性/ /价提高，使结构、组成下移速度更快，价提高，使结构、组成下移速度更快， 器件的发展，推动算法、语言的发展器件的发展，推动算法、语言的发展 系统结构的发展要求器
42、件不断发展系统结构的发展要求器件不断发展 如如新结构的使用，取决于器件发展能否提供可能新结构的使用，取决于器件发展能否提供可能 提高器件性能提高器件性能/ /价格，要求改变器件逻辑设计价格，要求改变器件逻辑设计方法方法2022-5-1536二、并行性的发展二、并行性的发展 并行性并行性包括包括同时性同时性( (时刻时刻) )、并发、并发性性( (时段时段) ) * *开发方法：开发方法： 时间重叠、资源重复、资源共享时间重叠、资源重复、资源共享 * *并行性等级划分：并行性等级划分： 执行程序角度执行程序角度 处理数据角度处理数据角度 信息加工步骤信息加工步骤 操作级操作级 位串字串位串字串
43、存储器操作并行存储器操作并行 指令级指令级 位并字串位并字串 处理器操作步骤并行处理器操作步骤并行 任务或过程级任务或过程级 位串字并位串字并 处理器操作并行处理器操作并行 作业或程序级作业或程序级 全并行全并行 任务或作业并行任务或作业并行1 1、并行性开发、并行性开发2022-5-15372 2、并行性发展、并行性发展 用用三种并行性实现方法进行开发，得到如下系统结构树：三种并行性实现方法进行开发，得到如下系统结构树：标量标量顺序的顺序的先行控制先行控制I/EI/E重叠重叠功能并行功能并行多个功能部件多个功能部件流水线流水线隐式向量隐式向量显式向量显式向量存储器存储器- -存储器存储器寄存
44、器寄存器- -寄存器寄存器SIMDSIMDMIMDMIMD联想处理机联想处理机处理机阵列处理机阵列多计算机多计算机多处理机多处理机计算机系统结构树计算机系统结构树空间并行空间并行时间并行时间并行2022-5-1538本章思考本章思考1 1、系统结构精确定义、包含内容是什么？、系统结构精确定义、包含内容是什么？ 与计算机组成和实现的关系是什么？与计算机组成和实现的关系是什么？ 进行系统结构设计的方法和步骤是什么？进行系统结构设计的方法和步骤是什么？2 2、系统结构的分类方法有哪些？、系统结构的分类方法有哪些？ 影响系统结构发展的因素又哪些？如何影响的？影响系统结构发展的因素又哪些？如何影响的？3
45、 3、系统结构设计的定量原理有哪些？举例说明其应用。、系统结构设计的定量原理有哪些？举例说明其应用。4 4、计算机系统的性能指标有哪些？其特点和影响因素是什么？、计算机系统的性能指标有哪些？其特点和影响因素是什么？5 5、评价系统性能的方法有哪些？如何比较测量的结果？、评价系统性能的方法有哪些？如何比较测量的结果？6 6、并行计算机与单处理器计算机在系统结构上有哪些区别？、并行计算机与单处理器计算机在系统结构上有哪些区别？ 影响其性能的因素有哪些？如何评价？影响其性能的因素有哪些？如何评价？7 7、并行性包含的内容是什么？开发并行性的方法有哪些？、并行性包含的内容是什么？开发并行性的方法有哪些？ 系统结构树中结点采用哪些技术可实现变迁？系统结构树中结点采用哪些技术可实现变迁？2022-5-1539Thank you!2022-5-152022-5-1540
