定量分析技术基础第一章

1946两个方面制造技术、体系结构计算机系统结构architecture

程序员所看到的计算机属性即概念性结构与功能特性指令系统结构、组成、硬件计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性即硬件子系统的概念结构及其功能特性是计算机软硬件的交界面计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性实质确定软硬件界面

计算机组成计算机系统结构的逻辑实现研究任务软硬件功能分配、软硬件界面的确定系列机相同系统结构不同组成和实现

层次结构

计算机语言角度把计算机系统按功能划分成多级层次结构每一层以一种语言为特征

物理机:

由硬件/固件实现虚拟机由软件实现某些操作可以由硬件或固件实现低层机器属性对高层机器程序员透明

Flynn分类法

多倍性在系统最受限的部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目

SISDSIMDMISDMIMD基本结构

IS指令流DS数据流CS控制流CU控制部件PU处理部件MM、SM存储器

冯氏分类法

最大并行度计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数字宽*字数平均并行度取决于系统的运用程度与应用程序有关

PiT

Pa∑i1TPiTP_{a}\frac{\sum_{i1}^{T}

μPaPm∑i1TPiTPm\mu\frac{P_{a}}{P_{m}}\frac{\sum_{i1}^{T}

P_{i}}{T

同时处理单个字的多个位单处理机如16位、32位等字并位串n1m1

Handler分类法

k程序控制部件PCU的个数d算术逻辑部件ALU或处理部件PE的个数w每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路(ELC)的套数

t(系统型号)

k’宏流水线中程序控制部件的个数d’指令流水线中算术逻辑部件的个数w’操作流水线中基本逻辑线路的套数

1.2

运算器为中心指令和数据同等对待存储器是按地址访问指令的执行是顺序的指令由操作码和地址码组成指令和数据均以二进制编码表示采用二进制运算

非诺依曼体系结构

操作开销过大不能有效地利用传统诺依曼体系结构计算机已积累起来的丰富的软件资源

系统结构改进

程序控制等待、中断DMA成组传递、周期挪用I/O处理机通道、外围处理机

向上下兼容向前后兼容

在一种系统结构上实现另一种系统结构在一种机器上实现另一种机器的指令集模拟虚拟机

解释实现速度较慢

系统结构发展的最活跃因素摩尔定律集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一番

应用影响

系统结构发展的最根本的动力应用需求特殊领域需要高性能的系统结构

1.3

字串位串每次只对一个字的一位进行处理字串位并同时处理单个字的多个位字并位串同时处理多个字的同一位位片字并位并全并行同时处理多个字的多个位

执行程序

指令内部并行单条指令中各微操作之间的并行指令级并行并行执行两条或两条以上的指令线程级并行并行执行两个或两个以上的线程任务级或过程级并行并行执行两个或两个以上的过程或任务子程序/进程作业或程序级并行并行执行两个或两个以上的作业或程序

提高并行性技术途径

时间重叠处理过程错开加快硬件周转资源重复重复设置硬件资源资源共享软件方法顺序轮流使用同一套硬件设备

时间重叠主导作用部件功能专用化资源重复多体存储器多操作部件指令级并行阵列处理机资源共享虚拟机分时系统

分类同构型多处理机、异构型多处理机、分布式系统耦合度多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱

紧密耦合系统直接耦合系统总线或高速开关互连共享主存松散耦合系统间接耦合系统通道或通信线路互连共享外存最低耦合除某种中间介质外无连接无共享

并行机的萌芽阶段1964年1975年向量机的发展和鼎盛阶段1976年1990年MPP出现和蓬勃发展阶段1990年1995年各种体系结构并存阶段1995年2000年机群蓬勃发展阶段2000年以后

1.4

指令系统的设计、数据表示的设计、功能的组织、逻辑设计以及其物理实现等三个方面

确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求软硬件功能分配平衡设计出生命周期长的系统结构符合发展方向

主要方法

时间局部性即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息空间局部性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

设计准则

SnT0Tn11−FeFeSeS_n\frac{T_0}{T_n}\frac{1}{1-F_e\frac{F_e}{S_e}}Sn​Tn​T0​​1−Fe​Se​Fe​​1​

FeF_eFe​

1可改进部分改进后性能提高的倍数。

改进前执行时间与改进后执行时间的比改进后程序的总执行时间

TnT_nTn​

T0(1−FeFeSe)T_0(1-F_e\frac{F_e}{S_e})T0​(1−Fe​Se​Fe​​)

T0T_0T0​

如果只对整个任务的一部分做改进则改进得越多所得到的总体性能提升就越有限

1.5

执行时间、吞吐率用户执行时间单个程序所花的时间数据中心管理员吞吐率单位时间里能够完成的任务CPU时间

CPU执行所给定的程序所花费的时间不包含I/O等待时间以及运行其它程序的时间用户CPU时间用户程序所耗费的CPU时间系统CPU时间用户程序运行期间操作系统耗费的CPU时间

基准测试程序

核心测试程序真实程序的关键代码段小测试程序100行以内的小程序合成的测试程序按比例合成

基准测试程序套件真实应用程序构成

MIPSCI执行时间×1061CPI×T×106fCPI×106MIPS

\frac{CI}{执行时间

10^6}MIPS执行时间×106CI​CPI×T×1061​CPI×106f​

MFLOPS每秒百万浮点指令数

总执行时间执行所有程序时间的加和加权平均执行时间各个测试程序的算术/加权平均值调和平均值法

加权调和平均值公式

时钟周期时间时钟周期时间硬件实现、计算机组成CPI计算机组成、指令系统结构IC指令系统结构、编译技术计算机系统有

种指令

∑i1n(CPIi×ICi)\sum_{i1}^{n}(CPI_i

\times

∑i1n(CPIi×ICi)\sum_{i1}^{n}(CPI_i

\times

时钟周期时间CPI∑i1n(CPIi×ICi)IC∑i1n(CPIi×ICiIC)CPI

\times

\frac{IC_i}{IC})CPIIC∑i1n​(CPIi​×ICi​)​∑i1n​(CPIi​×ICICi​​)

CPI