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ComputerArchitecture计算机系统结构知识点详解
ComputerArchitecture计算机系统结构
1.FundamentalsofComputerArchitecture计算机系统结构的基本原理
1.1LayersofComputerSystem计算机的层次
ApplicationLanguageMachineM5应用语言机
High-LevelLanguageMachineM4高级语言机
AssemblyLanguageMachineM3汇编语言机
OperatingSystemMachineM2操作系统机
ConventionalMachineM1传统机
MicroprogramMachineM0微程序机
1.每个层次执行相关的功能子集。
2.每个层次要依赖于下一个低层去执行更原始的功能。
3.这就将问题分解成更易处理的子问题。
4.从M2到M5的层次是虚拟机。
5.在传统机上的指令(算数、逻辑等)由微程序级的程序实现。
该程序是作为一个解释器,能理解一组简单的操作集合,称为微指令集。
1.2ComputerArchitectureandImplementation计算机的系统结构和实现
ØComputerArchitecture计算机系统结构
Referstothoseattributesofasystemvisibletoaprogrammer,orthoseattributeshavedirectimpactonlogicalexecutionofprogram.程序员可见,或者对程序执行有直接影响的属性
ØImplementation实现
Twocomponents:
Organizationandhardware.两个组件:
组织和硬件
1.Organization(组织):
includeshigh-levelaspectsofacomputer’sdesign,suchas:
memorysystem,busstructure,internalCPU.组织(组织):
包括高级方面的计算机的设计,如:
内存系统,总线结构、内部CPU。
2.Hardware(硬件):
referstothespecificsofamachine,include:
detailedlogicdesignandpackagingtechnology.硬件(硬件):
指机器的细节,包括:
详细的逻辑设计和包装技术。
ØArchitecturalAttributes系统结构方面的属性
instructionset,指令集
I/Omechanisms,I/O机制
techniquesforaddressingmemory寻址技术
numberofbitsrepresentingvariousdatatype(numbers,characters)表示各种数据类型的位数(数值、字符)
ØOrganizationalAttributes组织方面的属性
Hardwaredetailstransparenttotheprogrammer.对于程序透明的硬件细节
suchas:
controlsignals控制信号computer/peripheralinterfaces计算机/外设接口
memorytechnology存储技术
ØHardwareAttributes硬件方面的属性
packagingtechnology封装技术
power功耗
cooling冷却
ØArchitecturalDesignIssue系统结构设计问题
Whetheracomputerwillhaveamultiplyinstruction.是否要有一个乘法指令
ØOrganizationalIssue组织设计问题
1.Whethertheinstructionwillbeimplementedbyaspecialmultiplyunitorbyrepeateduseoftheaddunit.是采用乘法单元还是采用加法单元迭代使用
2.Thedecisionmaybebasedontheanticipatedfrequencyofuseofthemultiplyinstruction,therelativespeedofthetwoapproaches,andthecostandphysicalsizeofaspecialmultiplyunit.决策取决于乘法指令使用频率,两种方法的相对速度,乘法单元的成本和大小
1.3TheTaskofAComputerDesigner计算机设计者的任务
ØDeterminewhatattributesareimportantforanewmachine.确定哪些属性是重要的
Designamachinetomaximizeperformance(性能)whilestayingwithincost(成本)andpower(功耗)constraints,设计一台机器来最大化性能,并保持在成本和力量约束
including:
instructionsetdesign指令集设计,functionalorganization功能设计,logicdesign逻辑设计,implementation(实现):
ICdesign,package,cooling
ØTheyhavetodeterminethefunctionalrequirements:
majortask:
功能需求是主要的
1.Therequirementsmaybespecificfeaturesinspiredbythemarket.由市场决定的某个特性
2.Applicationsoftwareoftendrivesthechoiceofcertainfunctionalrequirements.应用软件驱动
3.Thepresenceofalargemarketforaparticularclassofapplicationsmightencouragethedesignerstoincorporaterequirements.应用驱动
1.4MeasuringandReportingPerformance测量和报告性能
ØWhenwesayonecomputerisfasterthananother,whatdowemean?
快的涵义?
Theusermaysayacomputerisfasterwhenaprogramrunsinlesstime.用户:
程序运行时间短
thecomputercentermanagermaysayacomputerisfasterwhenitcompletesmorejobsinanhour.计算机中心经理:
在一小时内做更多工作
1.responsetime(响应时间)—Thecomputeruserisinterestedinreducing
2.executiontime(执行时间)—thetimebetweenthestartandthecompletionofanevent
3.throughput(吞吐量)—thetotalamountofworkdoneinagiventime.
X比Y快n倍:
ØMeasuringPerformance测量性能
Evenexecutiontimecanbedefinedindifferentways:
执行时间的不同定义
wall-clocktime,responsetime,orelapsedtime,whichisthelatencytocompleteatask,includingdiskaccesses,memoryaccesses,input/outputactivities,operatingsystemoverhead.时钟时间、响应时间,或运行时间,这是延迟完成一个任务,包括磁盘访问,内存的访问、输入/输出,操作系统开销。
CPUtime(CPU时间):
meansthetimeCPUiscomputing,notincludingthetimewaitingforI/Oorrunningotherprograms.CPU时间:
是指CPU计算时间,其中还不包括时间等待I/O或运行其他程序。
CPUtimecanbefurtherdividedinto:
CPU时间可以进一步分为:
1.userCPUtime(用户CPU时间):
theCPUtimespentintheprogramCPU花在这个程序的时间
2.systemCPUtime(系统CPU时间):
theCPUtimespentintheoperatingsystemperformingtasksrequestedbytheprogram,called).CPU花在操作系统执行任务所要求的项目
ØChoosingProgramstoEvaluatePerformance选择程序来评估性能
Fourlevelsofprogramslistedbelowindecreasingorderofaccuracyofprediction.四个层次的程序,按精确度从高到底的次序
1.Realapplications真实应用input,output,andoptions有输入、输出、可选项
2.Kernels核心程序keypieces关键片段最便于辨析出机器单个特性的性能
3.Toybenchmarks玩具测试基准
4.Syntheticbenchmarks合成测试基准匹配程序中操作和操作数的平均频率
ØBenchmarkSuites测试基准程序
1.puttogethercollectionsofbenchmarkstomeasuretheperformanceofprocessorswithavarietyofapplications把集合的基准来测量性能的处理器与各种应用程序
2.Akeyadvantageofsuchsuitesisthattheweaknessofonebenchmarkislessenedbythepresenceofotherbenchmarks互补
3.Benchmarksuitsaremadeofcollectionsofprograms,someofwhichmaybekernels,butmanyofwhicharetypicallyrealprograms有些是核心程序,但很多是真实程序
ØReportingPerformanceResults报告性能结果
1.Theguidingprincipleofreportingperformancemeasurementsshouldbereproducibility报告的指导原则的性能测量应再现性
2.requiresafairlycompletedescriptionofthemachine,thecompilerflags,aswellasthepublicationofboththebaselineandoptimizedresults需要一个相当完整的描述机器,编译器标志,以及出版的两个基线和优化结果
3.containstheactualperformancetimes,shownbothintabularformandasagraph包含实际的表现时期,显示两个表格形式和图表
ØComparingandSummarizingPerformance比较和总结性能
battlesarefoughtoverwhatisthefairwaytosummarizerelativeperformanceofacollectionofprograms.什么是公平的方法:
竞争
ØTotalExecutionTime:
AConsistentSummaryMeasure总体执行时间
Thissummarytracksexecutiontime,ourfinalmeasureofperformance.执行时间:
最终性能度量
Anaverageoftheexecutiontimeisthearithmeticmean:
平均执行时间
ØWeightedExecutionTime加权执行时间
第一种方法:
对每个程序赋予权值
weightedarithmeticmean:
加权算数平均值
ØNormalizedExecutionTimeandtheProsandConsofGeometricMeans
归一化执行时间,以及几何平均值的优劣
第二种方法:
利用归一化的执行时间
实际性能=归一化数×参考机性能
Averagenormalizedexecutiontimecanbeexpressedaseitheranarithmeticorgeometricmean.可采用算数或几何平均值
几何平均值的好性质:
几何平均值的比率与比率的几何平均值相同
Incontrasttoarithmeticmeans,geometricmeansofnormalizedexecutiontimesareconsistentnomatterwhichmachineisthereference.Hence,thearithmeticmeanshouldnotbeusedto.无论采用哪个机器作为参考机,归一化执行时间的几何平均值都是一致的。
故不应采用算数平均值。
harmonicmean≤geometricmean≤arithmeticmean调和均值≤几何均值≤算数均值
1.Advantage:
geometricmeanisindependentoftherunningtimesofindividualprograms,anditdoesn’tmatterwhichmachineisusedtonormalize.优点:
与各个程序运行时间无关,与采用哪一个机器进行归一化无关
2.Drawback:
geometricmeansviolateourfundamentalprincipleofperformancemeasurement—theydonotpredictexecutiontime.缺点:
违反了性能测量的基本原理
1.5QuantitativePrinciplesofComputerDesign计算机设计的量化原理
ØMakeCommonCaseFast使常见情况更快
照顾经常发生的情况
ØAmdahl’sLaw阿姆达尔定律
用途:
TheperformancegainobtainedbyimprovingsomeportionofacomputercanbecalculatedusingAmdahl’sLaw得到的性能改善的一部分电脑可以计算使用Amdahl法则
定义:
Amdahl’sLawstatesthattheperformanceimprovementtobegainedfromusingsomefastermodeofexecutionislimitedbythefractionofthetimethefastermodecanbeused.阿姆达尔定律的涵义:
由某些部分加速所得到的性能提高受加速部分的百分率所限。
加速比:
加速比取决于两个因素:
1.能加速的部分
2.能加速的程度
回报递减法则:
Amdahl’sLawexpressesthelawofdiminishingreturns:
Theincrementalimprovementinspeedupgainedbyanadditionalimprovementinjustaportionofthecomputationdiminishesasimprovementsareadded.对于一部分性能的提高,总体加速比的提高呈递减
推论:
AnimportantcorollaryofAmdahl’sLawisthatifanenhancementisonlyusableforafractionofatask,wecan’tspeedupthetaskbymorethanthereciprocalof1minusthatfraction.总体加速比有上界
ØTheCPUPerformanceEquationCPU性能方程
两种表达方式:
执行时间公式:
CPUperformanceisdependentupon:
clockcycle(orrate),CPI,andIC。
CPU性能取决于:
时钟周期(或比率),CPI,IC
很难改变一个参数而不影响其它参数:
1.Clockcycletime--Hardwaretechnologyandorganization时钟周期:
硬件技术和组织
2.CPI--OrganizationandISACPI:
组织和ISA(指令系统)
3.Instructioncount--ISAandcompilertechnologyIC:
指令系统和编译器技术
ØMeasuringtheComponentsofCPUPerformance测量CPU性能的各组成部分
Todeterminetheclockcycle:
确定时钟周期
1.iseasyforanexistingCPU.现有CPU:
容易
2.Low-leveltools,calledtimingestimatorsortimingverifiers,areusedforacompleteddesign.
已完成:
用时延估计器或时延验证器
3.foradesignthatisnotcompleted,byexaminingthecriticalpathsinadesign.
未完成;用关键路径
Measuringtheinstructioncount:
测量指令数
compilertogetherwithtoolsthatmeasuretheinstructionsetbehavior.
编译器及测量指令集行为的工具
1.firstway:
byinstructionsetsimulatorthatinterpretstheinstructions—slowbutcanmeasurealmostanyaspectofinstructionsetbehavioraccurately.用指令集模拟器:
慢
2.secondway:
usesexecution-basedmonitoring.thebinaryprogramismodifiedtoincludeinstrumentationcode—veryfast,sinceprogramisexecuted,ratherthaninterpreted
用基于执行的监视:
快。
MeasuringtheCPI测量CPI
ØLocalityofReference引用局部性
Programstendtoreusedataandinstructionstheyhaveusedrecently
项目往往重用数据和指令最近他们已经使用的
1.6ClassificationofComputerArchitecture计算机系统结构的分类
1.SISD(singleinstructionstreamoverasingledatastream)单指令流单数据流
2.SIMD(singleinstructionstreamovermultipledatastream)单指令流多数据流
3.MIMD(multipleinstructionovermultipledatastreams)多指令流多数据流
4.MISD(multipleinstructionstreamsandasingledatastream)多指令流单数据流
mostparallelcomputersbuiltinthepastassumedtheMIMDmodelforgeneral-purposecomputations.过去的大多数并行计算机认为MIMD模型为通用计算。
TheSIMDandMISDmodelsaremoresuitableforspecial-purposecomputations.
MISD的SIMD和模型更适合专用计算。
2.InstructionSet指令集
2.1ClassifyingInstructionSetArchitecture指令集分类
ØThetypeofinternalstorageintheCPUisthemostbasicdifferentiation.
内部存储的类型是最基本的区别
Majorchoicesareastack,anaccumulator,orasetofregisters.
CUP中用来存储操作数的CUO单元:
堆栈、累加器、寄存器组
Operandsmaybenamedexplicitlyorimplicitly:
操作数是明确或隐含命名
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