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第11章 计算机系统 11.1 计算机系统概述 计算机系统的分类 : 目前常用的计算机分类方法是1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。其中指令流是机器执行的指令序列，数据流是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列4类： 1. 单指令流单数据流(SISD)计算机系统 2. 单指令流多数据流(SIMD)计算机系统 3. 多指令流单数据流(MISD)计算机系统 4. 多指令流多数据流(MIMD)计算机系统 计算机系统的分类 II 1. 单指令流单数据流(SISD)计算机系统 通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的SISD计算机每次执行一条指令，每次从存储器取(或存)一个数据。 2. 单指令流多数据流(SIMD)计算机系统 通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。各处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器“播送”同一条指令，所有活动的处理器在同一时刻执行同样的指令，所需的数据是从它本身专用的存储器中取的。 计算机系统的分类 III 3. 多指令流单数据流(MISD)计算机系统 MISD计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能列在这一个系统中的计算机很少或根本不存在 4. 多指令流多数据流(MIMD)计算机系统 典型的MIMD计算机系统由多台处理器(包括指令控制部件和处理器)和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理器和各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据。 提高计算机系统运算速度的方法 I 提高计算机系统运算速度的方法有很多，可归纳为两类： (1) 改进器件工艺，减少芯片带宽，提高集成度与工作频率。 (2) 改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。 提高计算机系统运算速度的方法 II 针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有： (1) 采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少访问存储器次数。 (2) 采用多体交叉存储器和cache,以协调CPU和存储器之间的速度匹配。 (3) CPU和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空闲时间。 (4) 操作重叠的流水线工作方式。 开放系统 I 专有系统与开放系统 (1) 专有系统：硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术。历史上大计算机公司，如IBM,DEC都是靠独家专利的计算机发迹的 (2) 开放系统：硬件和软件可由多家公司提供，目前计算机系统的所有部分都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。 开放系统 II 开放系统的特点： 遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。 开放系统可由制造商、增值转销或最终用户从不同公司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上的投资(即原有软件仍能运行) 有大量第三方软件公司或用户的软件产品可在开放系统上运行。 开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有国际标准，国家标准及事实上的标准(工业标准)。 计算机系统的性能评测 I 评测性能的几种方法： 1)计算机的时钟频率 2)PDR值：是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值(加权),其计算公式如下： PDR=L/R L=0.85G+0.15H+0.4J+0.15K R=0.85M+0.09N+0.06P G是每条定点指令的位数；M是定点加法平均时间； H是每条浮点指令的位数；N是浮点加法平均时间； J是定点操作数的位数； P是浮点乘法平均时间； K是浮点操作数的位数； 计算机系统的性能评测 II 3) 等效乘法速率，曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。 4) 核心程序法：把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。 5)基准程序法：整数性能用MIPS(百万次整数运算指令/秒)、浮点性能用MFLOPS(百万次浮点运算指令/秒)等表示。通常将VAX11/780的运算速度定为1MIPS。 基准测试程序 (1) 整数测试程序：Dhrystone (2) 浮点测试程序：Linpack, Whetstone (3) 计算机综合测试程序：SPEC (4) 事务处理测试程序：TPC(Transaction Process performance Council)标准 (5)行业基准测试：如美国国家宇航局(NASA)开发的并行基准测试(Nas Parallel Benchmark) 基准测试程序的公正性和准确性 所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。 测试结果是否能够准确反映计算机实际使用的效果，这就是准确性问题。 基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。 11.2 微机系统(