11计算机系统结构11.ppt

* * 存储器系统的层次结构 * 存储器系统的层次结构如下图所示： CPU内的寄存器 高速缓存 主存储器 磁盘存储器 磁带机 层0：M0 层1：M1 层2：M2 层3：M3 层4：M4 容量和存取时间增加 每位成本增加 * * 4? CPU性能公式 时钟周期 t(ns) ：计算机时钟频率f (MHz)的倒数称为 时钟周期，即 t=1/f 程序的CPU时间(TCPU )：CPU花在程序上的计算时间， 分用户CPU时间和系统CPU时间(不包括I/O等待)。 用户CPU时间: CPU花费在用户程序的时间. 系统CPU时间: CPU花费在操作系统的时间。 若执行程序的（CPU）时钟周期数为NC ，则 TCPU=NC×t=NC/f????? * * CPU性能公式 指令的平均时钟周期数CPI定义为: CPI=NC/IN ? IN是指令的条数。NC: 是程序的CPU时钟周期数)? 程序的CPU时间定义为 TCPU=NC×t =CPI×IN ×t = (CPI×IN)/f??????????????? CPU的性能与3个要素有关： ① 时钟频率f；-----增加频率 ② 指令的平均时钟周期数 CPI；-----减少CPI,改进指令集 ③ 指令条数IＮ。 -----减少IN ,改进算法.指令集，编译技术 * * CPU性能公式 对多条指令Ii的程序, 指令的平均周期数CPI Ii/IＮ：i指令在程序中所占的比例。 对多条指令Ii的程序, 机器的CPU时间 ??????? Ii：i指令在程序中执行的次数，CPIi: i指令的平均时钟周期数，n为指令种类数。? （TCPU =CPI×IN ×t） 【例1】两台机器CPUA和CPUB，对条件转移指令的处理采用不同的设计方案： 1.CPUA先用一条比较指令(占总指令数20%)来设置条件码，再对条件码进行测试，以确定是否转移。即一次条件转移要执行比较和测试两条指令. 2.CPUB采用比较和测试两种功能合为一条指令，即条件转移只需一条指令（转移指令中包含了比较功能）， 故时钟周期比CPUA 慢25% 。 假设两台机器的指令系统中，条件转移指令需2个时钟周期，其他指令需1个时钟周期。问CPUA和CPUB哪个工作速度更快? * * CPU性能公式对选择系统设计方案的影响 1） 设CPUA、CPUB的时钟周期长度分别为tA、tB CPIA=0.2×2+0.8×1=1.2 (指令的平均周期数) 故 TcpuA=1.2×IＮA×tA (CPU时间) 2） CPUB中转移指令需2个时钟周期，由原来20%上升为20%÷80%=25%，其余75%指令需1个时钟周期，故 ??? CPIB=0.25×2+0.75×1=1.25 TcpuB= 1.25×IＮB×TB 3） CPUB中没有比较指令，故指令条数 IＮB=0.8×IＮA。而 tB=1.25tA，故 TcpuB= 1.25×0.8IＮA×1.25tA =1.25 × IＮA×TA 即 TcpuA＜TcpuB 故CPUA比CPUB运行得更快。可选择CPUA方案. * * 若例1中如果CPUB的时钟周期只比CPUA的慢10%，那么哪一个CPU会工作得更快些? 解： 因为 tB=1.1tA，故 ??? TcpuB=0.8IＮA×1.25×1.1tA=1.1IＮA×tA 故 TcpuB＜TcpuA， 即 CPUB比CPUA得更快。选择CPUB方案. * * * * * * 计算机体系结构 * * 余 文 北京邮电大学计算机科学与技术学院 Email：yuwen@bupt.edu.cn 1.2 系统结构发展的因素 存储程序计算机体系结构及其发展 软件对体系结构的影响 应用对体系结构的影响 器件对体系结构的影响 体系结构的生命周期 * * 　 ?1946,冯·诺曼年提出了现代计算机模型，以运算器为中心, 存储程序和指令驱动为基础。 * * 1.2.1 存储程序计算机体系结构及其发展　 　　 ? 存储程序:程序由指令\数据组成，存放在存储器中。 指令驱动:机器启动后，按程序逻辑顺序, 把指令从存储器中逐条读出并执行，