计算机系统结构第一章ppt.ppt

课堂练习一： 2. 1. 3、 课堂练习： 课堂练习二： 1、 2、 3、 4、 系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比: 系统加速比 = = 1.5 定量分析技术基础 例：我们分析一个用于Web服务器系统的处理器的性能。假定采用某增强方式使新的CPU处理Web服务器应用程序的运行速度是原来处理器中的10倍，同时假定此CPU有40%的时间用于计算，另外60%的时间用于I/O操作。那么增强性能后总的加速比是多少？ 解：增强比例 = 0.4 增强加速比 = 10 总加速比 = 1 0.6 + 0.4 10 = 0.64 = 1.56 1 1.5957 (2) Amdahl定律：性能增加的递减规则 如果仅仅对计算机中的一部分做性能改 进，则改进越多，系统获得的效果越小。 推论：如果只针对整个任务的一部分进行优化， 那么所获得的加速比不大于1/(1-fe)。 (3) 一个“好”的计算机系统：具有高性价比的计 算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它 使用的某些部件的性能。 1.5 定量分析技术基础 3. 程序的局部性原理 程序在执行时所访问地址的分布不是随机 的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数 据两部分。 ◆ 程序的时间局部性：程序即将用到的信息很 可能就是目前正在使用的信息。 ◆ 程序的空间局部性：程序即将用到的信息很 可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者 临近。 1.5 定量分析技术基础 1.5.4 CPU的性能 1. 将程序执行的时间进行分解 (1) 计算机工作的时钟频率 计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。 单位是MHz(f)。 (2) 总时钟周期数 程序执行的cpu时间 : CPU时间 = 总时钟周期数 / 时钟频率 1.5 定量分析技术基础 2. “指令时钟数”CPI(Cycles Per Instruction) 一个与计算机体系结构有关的参数。 CPI = 总时钟周期数 / IC 3. 程序执行的CPU时间可以写成 总CPU时间 = CPI ? IC / 时钟频率 ◆ 时钟频率：反映了计算机实现技术、生产工艺 和计算机组织。 IC：程序执行过程中所处理的指令数。 1.5 定量分析技术基础 ◆ CPI：反映了计算机实现技术、计算机指令集 的结构和计算机组织。 ◆ IC：反映了计算机指令集的结构和编译技术。 1.5 定量分析技术基础 假设：计算机系统有n种指令； CPIi ：第i种指令的处理时间； ICi ：在程序中第i种指令出现的次数； 则程序执行时间为 CPU时间 = ? (CPIi ? ICi) / 时钟频率 CPI = ? (CPIi ? ICi) / IC = ? (CPIi ? ICi / IC) 其中：(ICi / IC)反映了第i种指令在程序中所占的 比例。 i=1 i=1 i=1 n n n 1.5 定量分析技术基础 4. 对CPU性能公式进行进一步细化 例1.1 假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下： (1) CPUA：通过比较指令设置条件码，然后测试条 件码进行分支。 CPUB：在分支指令中包括比较过程 在两种CPU中，条件分支指令都占用2个时钟周 期而所有其它指令占用1个时钟周期，对于CPUA，执 行的指令中分支指令占20%；由于每个分支指令之前 都需要有比较指令，因此比较指令也占20%。由于CPUA 1.5 定量分析技术基础 在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间 比CPUB快1.25倍。哪一个CPU更快？如果CPUA的时钟 周期时间仅仅比CPUB快1.1倍，哪一个CPU更快呢？ 解：我们不考虑所有系统问题，所以可用CPU性能公式。占用2个时钟周期的分支指令占总指令的20%，剩下的指令占用1个时钟周期。所以 CPIA = 0.2 ? 2 + 0.80 ? 1 = 1.2 则CPU性能为： 总CPU时间A = IC ? 1.2 ? 时钟周期A 1.5 定量分析技术基础 根据假设，有： 时钟周期B = 1.25 ? 时钟周期A 在CPUB中没有独立的比较指令，所以CPUB的程序量为CPUA