系统结构的基础

• 基本概念
• 层次分类
• 系统结构的分类
• 系统结构的发展
  • 冯·诺依曼结构
  • 对系统结构进行改进
  • 软件对系统结构的影响
• 系统结构中并行性的发展
• 计算机系统的设计
  • Amdahl 定律
  • CPU 性能公式
• 计算机系统的性能评测
• 题目
  • 1.7
  • 1.10
  • 1.11

基本概念

定义：指令系统结构、组成、硬件（实现） 实质：确定计算机系统中软硬件的界面， 界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

具有相同系统结构的计算机可以采用不同的计算机组成。 同一种计算机组成又可以采用多种不同的计算机实现。

层次分类

从高到低 6 级

• 应用语言机器
• 高级语言机器
• 汇编语言机器
• 操作系统机器
• 传统机器语言机器
• 微程序机器

最下面三级一般是用解释实现的，但上面三级经常是用翻译的方法。 最下面两级机器是用硬件/固件实现的，称为物理机。 上面 4 层一般是由软件实现的，成为虚拟机器。

系统结构的分类

三种分类方法：

1. Flynn 分类法：按照指令流和数据流的多倍性进行分类（SISD, SIMD, MISD, MIMD）
   • 指令流：计算机执行的指令序列
   • 数据流：由指令流调用的数据序列
   • 多倍性：在系统最受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目
2. 冯式分类法：用系统的最大并行度对计算机进行分类
   • 最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数
3. Handler 分类法：根据并行度和流水线，量化指标是三元组
   • 程序控制部件个数
   • 算数逻辑部件或处理部件的个数
   • 每个算术逻辑不见包含基本逻辑线路套数

系统结构的发展

冯·诺依曼结构

5 部分组成，以运算器为中心，指令驱动：

• 输入设备
• 运算器
• 存储器
• 控制器
• 输出设备

指令驱动

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动， 就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

对系统结构进行改进

输入/输出方式的改进

• 程序控制
  • 等待
  • 中断
• DMA
  • 成组传递
  • 周期挪用
• I/O 处理机
  • 通道
  • 外围处理机

存储器的发展

• 相联存储器（检索）与相联处理机（检索+算术逻辑运算）
• 通用寄存器组
• 高速缓冲存储器 cache

指令系统的发展

• CISC：复杂指令集
• RISC：精简指令集

软件对系统结构的影响

兼容性：

• 向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。
• 向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序， 不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。

实现兼容性于可移植性

1. 统一高级语言
2. 系列机
3. 模拟和仿真
   • 模拟：用软件的方法在一台现有的机器（称为宿主机） 上实现另一台机器（称为虚拟机）的指令集。
   • 仿真：用一台现有机器（宿主机）上的微程序去解释实现另一台机器（目标机）的指令集。

仿真在机器语言级是相同的，只解释执行微程序机器级的指令。 仿真用微程序解释执行，其解释程序放在控制存储器中，模拟用机器语言解释执行，存放在主存中。

系统结构中并行性的发展

并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。

• 同时：两个或两个以上的事件在同一时刻发生
• 并发：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生

从数据角度看，并行性从低到高：

1. 字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。最基本的串行处理方式，不存在并行性。
2. 字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。
3. 字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。具有较高的并行性。
4. 全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。最高一级的并行。

从执行程序角度看，并行性从低到高：

1. 指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。
2. 指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。
3. 线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。 通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。
4. 任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段） 以子程序或进程为调度单元。
5. 作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。

提高并行性的三种途径

1. 时间重叠：引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开， 轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
2. 资源重复：引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。
3. 资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

计算机系统的设计

定量原理

Amdahl 定律

$$\begin{aligned} S &= \frac{T_0}{T_n} \\ T_n &= T_0 (1-Fe + \frac{Fe}{Se}) \\ S &= \frac{T_0}{T_n} = \frac{1}{(1-Fe) + \frac{Fe}{Se}} \\ \end{aligned}$$

• $T_0$: 总执行时间-改进前
• $T_n$: 总执行时间-改进后
• $S$: 加速比
• $Fe$: 在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总时间中的占比
• $Se$: 改进前所需执行时间与改进后所需执行时间的比

对于多部件的系统

$$S = \frac{1}{(1 - \sum F_i) + \sum \frac{F_i}{S_i}}$$

CPU 性能公式

CPU 时间 = 执行程序所需的时钟周期数 * 始终周期时间

CPI: Cycles Per Instruction

CPI = 执行程序所需的时钟周期数 / 所执行的指令条数

CPU 时间 = 指令数 * CPI * 时钟周期时间

计算机系统的性能评测

不同计算机系统执行不同程序的性能会有所不同，有 3 种方法解决这一问题。

1. 对比总执行时间
2. 对比调和平均值：$\frac{n}{\sum\limits_{i=1}^n \frac{1}{x_i}}$
3. 对比几何平均值：$(\prod\limits_{i=1}^nx_i)^{\frac{1}{n}}$

题目

1.7

某台主频为 400 MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下

指令类型	指令执行数量/条	平均时钟周期数
整数	45 000	1
浮点	8 000	4
数据传送	75 000	2
分支	1 500	2

求该计算机的有效 CPI、MIPS 和程序执行时间。

$$\begin{aligned} CPI &= \frac{45000 \times 1 + 8000 \times 4 + 75000 \times 2 + 15000 \times 2} {45000 + 8000 + 75000+ 15000} = \frac{257,000}{143,000} = 1.0979020979 \\ MIPS &= \frac{400M}{CPI} = 222.5680933852 \\ 执行时间 &= \frac{45000 \times 1 + 8000 \times 4 + 75000 \times 2 + 15000 \times 2} {400MHz} = \frac{257,000}{400,000} = 0.6425 (秒) \end{aligned}$$

1.10

有三个部件可以改进，加速比如下

• $S_1 = 30$
• $S_2 = 20$
• $S_3 = 10$

1. 如果部件 1 和部件 2 的可改进比例都为 30%，那么当部件 3 的可改进比例为多少时，系统的加速比才可以达到 10？

   $$\begin{aligned} S &= \frac{1}{1 - (0.3 + 0.3 + F_3) + \frac{0.3}{30} + \frac{0.3}{20} + \frac{F_3}{10}} \\ &\approx 0.361 \end{aligned}$$

2. 如果三个部件的可改进比例分别为 30%, 30% 和 20%，三个部件同时改进， 那么系统中不可改进部分的执行时间在总时间中占比多少？

   令原系统总时间为 $T_0$，则不可改进部分时间为 $(1-0.3-0.3-0.2)T_0 = 0.2T_0$， 改进后总时间为 $0.2T_0 + (0.3/30 + 0.3/20 + 0.2/10)T_0 = 0.245T_0$，两者的比值即为答案。

1.11

FP 指令的比例为 30%，其中 FPSQR 站全部指令的比例为 4%，FP 操作的 CPI 为 5，FPSQR 操作的 CPI 为 20，其他指令的平均 CPI 为 1.25。现有两种改进方案， 第一种是把 FPSQR 操作的 CPI 减至 3，第二种是把所有 FP 的 CPI 减至 3， 试比较两种对整体性能的提升。

优化前整体：30% * 5 + 4% * 20 + (1 - 34%) * 1.25 = 3.25
第一种优化后：30% * 5 + 4% * 3 + (1 - 34%) * 1.25 = 2.445
第二种优化后：30% * 3 + 4% * 20 + (1 - 34%) * 1.25 = 2.525