计算机系统的软硬取舍.ppt

§3 计算机系统的软硬取舍、性能评测及定量设计原理 软、硬取舍的基本原则 计算机系统的性能评测 计算机系统的设计原则 计算机系统设计者的主要任务 计算机系统的设计思路 计算机系统的设计步骤 控制流程的三种实现方法 全硬件、软硬件结合、全软件 逻辑上等价 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少 软件实现：速度慢、复制费用低；灵活性好、占用内存多、易设计、可改性强、适应性强、设计周期短； 理论上：由两种极端实现方法 全硬件机器：操作系统、高级语言、应用等 硬件只有1位加法和分支操作，其他都用软件 关键问题：性能与价格的关系 发展趋势 硬件实现的比例越来越高 硬件所占的成本越来越低 软硬件实现的优缺点 计算机系统的软、硬件功能分配 计算机系统的软、硬件成本变化 软硬取舍的基本原则 很高的性能价格比 设：D为研制设计费用，M为重复生产费用 h为硬件，s为软件。 则： 设C：该功能在软件实现时许重新设计的次数； R：存储介质上出现的次数； V：生产的台数； 则硬件的费用： 软件的费用： 软硬取舍的基本原则（续） 则只有： 将上述带入 ： 可见：只有在C和R的值较大时，才成立。 由于： 则： 因为：C100 所以V值越大，上式成立。即产量大。 软硬取舍的基本原则（续） 考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用； 不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把为编译和操作系统的实现，以至高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位； 软硬取舍的基本原则（续） 考虑用户的应用领域：专用—硬件 设计周期长的硬件不宜采用 常用的功能尽量采用硬件实现 实现功能的成本性能比（或价格性能比）要低 尽量采用新技术实现超前设计 举例1： 某一计算机用于商业外贸的事务处理，有大量的字符串操作。由于这种事务处理很普遍，有较大的市场，故而设计人员决定在下一代此类计算机的CPU中加入字符串操作的功能。经测试应用软件调查发现，字符串操作的使用占整个程序运行时间的50%，而增加此功能如用软件（如微程序）实现，则快5倍，增加CPU成本1/5倍；如果用硬件实现，则快100倍，CPU成本增加到5倍。问设计人员提出增加此功能是否恰当？是否用软件还是硬件？ 设CPU成本占整机成本的1/3。 硬件实现 软件实现 举例2： 如果上例中，字符串操作功能的使用时间占整个程序运行时间的90%，则情况如何？ 硬件实现 计算机系统的性能评价 时钟频率 指令执行速度 平均速度 核心程序法 峰值速度 时钟频率 运算速度是表示处理机性能的主要指标，有多种表示处理机运算速度的方法，哪一种表示方法更加合理？ 时钟频率（处理机主频）只能用于同一类型、同一配置的处理机,相对比较 Pentium4 3.2GHZ比Pentium4 1.6GHZ快一倍? Pentium4 2.4GHZ比Pentium4 1.6GHZ快50%? 实际运算速度还与Cache、内存、IO、被执行程序等均有关 指令的执行速度 一种经典的表示运算速度的方法MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中: Fz为处理机的工作主频 CPI(Cycles Per Instruction)为每条指令所需的平均时钟周期数 IPC(Instruction Per Cycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数 例1：计算PentiumIV 3GHz 处理机的速度 解：由于PentiumIV3GHz 处理机的 IPC＝4（或CPI＝0.25） Fz＝3000MHz MIPSPentiumIV3G＝Fz×IPC＝ 3000×4＝12000MIPS＝12GIPS 峰值速度秒120亿次/秒，实际速度约50亿次/秒 主要优点：直观、方便。目前经常使用 主要缺点: (1) 不同指令的执行速度差别很大 (2) 指令使用频度差别很大 (3) 有相当多的非功能性指令 计算机系统的评测 性能指标体现在时间和空间 峰值性能：在理想情况下计算机系统可获得的最高理论性能值，它不能反映出系统的实际性能 实际性能（持续性能）：只是峰值性能的5%-30% 平均速度 算术性能平均值： 调和性能平均值： 几何性能平均值