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第一章 计 算 机 系 统 结 构 导 论 第五节 计算机系统结构的定量分析 一、系统结构设计的定量原理 1. 大概率事件优先原理 大概率事件优先原理是计算机系统结构设计中最常用的原理。其基本思想是：对于大概率事件(最常见的事件)，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。 2．Amdahl定律 （1）Amdahl定律的基本内容 Amdahl定律是指加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中的重要性。它有两个方面的作用，一是可用来确定系统中对性能限制最大的部件，二是可用来计算由于改进某些部件而获得的系统性能的提高。 并行算法与并行计算机的体系结构研究是一体的，并行算法的优劣直接依赖于并行计算机的体系结构。串行算法与串行计算机的体系结构则是相对独立的，串行算法的优劣与具体机器的结构之间无多大联系，在一台串行机上是最优的算法在另一台串行机上也往往是最优算法。也就是说，并行算法研究和串行算法研究的主要不同点是以完全不同的方式与计算机体系结构相互作用。并行算法紧紧地依赖于计算机体系结构，同时对计算机体系结构提出了许多新的要求，促使设计专用计算机的体系结构来实现某种并行算法，从而使并行算法与并行计算机的体统结构更为密切，有力地推动了计算机体系结构的发展。 还有价格等 六、计算机系统结构的生命周期 任何一种计算机系统结构，从诞生、发展、成熟到消亡，都是有生命周期的。生命周期和硬件、系统软件、应用软件的发展密切相关。 硬件 系统软件 应用软件 消亡 5～7年 5～7年 5～7年 图1.5 系统结构的生命周期 一、并行性及其等级的划分 1. 并行性及其类型 所谓并行性（Parallelism）是指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性。 并行性实际上包括同时性和并发性两层含义。同时性(Simultaneity)指的是两个或多个事件在同一时刻发生。并发性(Concurrency)指的是两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 2．并行性等级的划分 并行性可以有不同的等级，而且从不同的角度来看，并行性等级的划分也不相同。 （1）按执行程序的并行性划分 ①指令内部 ②指令之间 ③任务或进程之间④作业或程序之间 并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例在增大 第三节 计算机系统结构中的并行性及其发展 （2）按处理数据的并行性划分 ①位串字串②位并字串③位片串字并④全并行 （3）按信息加工步骤的并行性划分 ①存储器操作并行②处理器操作步骤并行③处理器操作并行④指令、任务、作业并行 二、提高计算机系统并行性的技术途径 1. 时间重叠(Time Inteleaving) 时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件使用周期来提高处理速度。 2. 资源重复(Resource Replication) 资源重复是在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高系统可靠性或性能。设置N个完全相同的处理器(PE)，让它们受同一个控制器(CU)控制，控制器每执行一条指令就可以同时让各个处理器对各自分配到的数据完成同一种运算，这样利用资 源重复就提高了速度。 3. 资源共享(Resource Sharing) 资源共享是利用软件的方法让多个用户按一定时间顺序轮流地使用一套资源，以提高系统资源利用率，也可以相应提高整个系统的性能。 三、多机系统及其耦合度 1. 多机系统的概念 （1）什么是多机系统 多机系统是多处理机系统和多计算机系统统的总称。而多计算机系统(Multicomputer System)是由多台独立的计算机组成的系统，多处理机系统（Multiprocessor System）是由多台处理机组成的单一计算机系统。 （2）多计算机系统和多处理机系统的差别 多计算机系统和多处理机系统的差别主要有：一是在操作系 统方面，多计算机系统的各个计算机分别受各自独立的操作系统控制，而多处理机系统由统一的操作系统控制。二是在存储器方面，多计算机系统的各个计算机分别受各自独立的存储器，完全执行各自独立的程序；而多处理机系统的各台处理机共享同一主存并有各自的控制部件，可以执行各自独立的程序。三是在信息交换方面，多计算机系统的各个计算机之间通过通道或通信线路进行通信，以文件或数据集的形式交互作用；而多处理机系统由于共享主存，各处理机和它们执行的程序之间不但能以文件和数据集