§3計算機系統的軟硬取舍、性能評測及定量設計原理軟、硬取舍的基本原則計算機系統的性能評測

計算機系統的設計原則計算機系統設計者的主要任務計算機系統的設計思路

計算機系統的設計步驟控制流程的三種實現方法

全硬件、軟硬件結合、全軟件邏輯上等價硬件實現：速度快、成本高；靈活性差、占用內存少軟件實現：速度慢、復制費用低；靈活性好、占用內存多、易設計、可改性強、適應性強、設計周期短；發展趨勢硬件實現的比例越來越高硬件所占的成本越來越低軟硬件實現的優缺點項目軟件硬件速度慢快系統靈活性、適應性強弱成本低高計算機系統的軟、硬件功能分配發展不可編程目前計算機最少硬件軟件硬件軟硬件比例計算機系統的軟、硬件成本變化七十年代硬件軟件成本年代軟硬取舍的基本原則很高的性能價格比

設：D為研制設計費用，M為重復生產費用

h為硬件，s為軟件。

則：設C：該功能在軟件實現時許重新設計的次數；

R：存儲介質上出現的次數；

V：生產的臺數；

則硬件的費用：

軟件的費用：

軟硬取舍的基本原則（續）則只有：將上述帶入：可見：只有在C和R的值較大時，才成立。由于：則：因為：C<100

所以V值越大，上式成立。即產量大。

軟硬取舍的基本原則（續）考慮到準備采用和可能采用的組成技術，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現技術的采用；

不能僅從“硬”的角度去考慮如何便于應用組成技術的成果和發揮器件技術的進展，還應從“軟”的角度把為編譯和操作系統的實現，以至高級語言程序的設計提供更多更好的硬件支持放在首位；

軟硬取舍的基本原則（續）考慮用戶的應用領域：專用—硬件設計周期長的硬件不宜采用常用的功能盡量采用硬件實現實現功能的成本性能比（或價格性能比）要低盡量采用新技術實現超前設計舉例1：某一計算機用于商業外貿的事務處理，有大量的字符串操作。由于這種事務處理很普遍，有較大的市場，故而設計人員決定在下一代此類計算機的CPU中加入字符串操作的功能。經測試應用軟件調查發現，字符串操作的使用占整個程序運行時間的50%，而增加此功能如用軟件（如微程序）實現，則快5倍，增加CPU成本1/5倍；如果用硬件實現，則快100倍，CPU成本增加到5倍。問設計人員提出增加此功能是否恰當？是否用軟件還是硬件？設CPU成本占整機成本的1/3。硬件實現軟件實現舉例2：如果上例中，字符串操作功能的使用時間占整個程序運行時間的90%，則情況如何？硬件實現軟件實現計算機系統的評測性能指標體現在時間和空間峰值性能：在理想情況下計算機系統可獲得的最高理論性能值，它不能反映出系統的實際性能實際性能（持續性能）：只是峰值性能的5%-30%持續性能的表示算術性能平均值：調和性能平均值：幾何性能平均值：加權算術平均值：加權調和平均值：加權幾何平均值：CPU性能公式CPU的性能取決于三個要素：①時鐘頻率f（或時鐘周期t）；②每條指令所花的時鐘周期數CPI；③指令條數IC一個程序所花的CPU時間(T)可以用兩種方式來表示：CPU時間(T)=CPU時鐘周期數(CPI×IC)*時鐘周期長(t)每條指令的平均時鐘周期數：計算CPU的程序時間：IC(InstructionCounter)：程序執行的總指令條數CPI(CyclesPerInstruction)：平均每條指令的時鐘周期Fc：主時鐘頻率假設系統共有n種指令，第i種指令在程序中出現的次數為Ii,這樣：MIPS(MillionInstructionPerSecond)MFLOPS(MillionFloatingPointPerSecond)評測方法采用實際的應用程序測試如：C語言的編譯程序，CAD應用：Spice采用核心程序測試從實際程序中抽出關鍵部分組合而成合成測試程序人為寫的核心程序，規模小，結果預知綜合基準測試程序計算機系統的定量設計原理

哈夫曼壓縮原理Amdahl定律程序訪問的局部性規律哈夫曼壓縮原理盡可能加速高概率事件遠比加速處理概率很低的事件對性能提高要顯著。只加速使用頻率高的部件Makethecommoncasefast例如：CPU中的加法，溢出情況。這是計算機設計中最重要也最廣泛采用的設計準則。使經常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統的性能。Amdahl定律

系統對某一部件采用某種更快執行方式所能獲得的系統性能改進程序，取決于這種執行方式被使用的頻率，或所占總執行時間的比例。Amdahl定律（續）定義了加速比的大小Amdahl加速比（續）Amdahl例1.1

假設將某系統的某一部件的處理速度加快到10倍,但該部件的原處理時間僅為整個運行時間的40%，則采用加快措施后能使整個系統的性能提高多少？解：由題意可知：fe=0.4,re=10，根據Amdahl定律Amdahl例1.2

采用哪種實現技術來求浮點數平方根FPSQR的操作對系統的性能影響較大。假設FPSQR操作占整個測試程序執行時間的20%。一種實現方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一種實現方法是使所有浮點數據指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，還假設FP指令占整個執行時間的50%。請比較這兩種設計方案。Amdahl例1.2解：分別計算出這兩種設計方案所能得到的加速比：CPU性能公式CPU的性能取決于三個要素：①時鐘頻率f（或時鐘周期t）；②每條指令所花的時鐘周期數CPI；③指令條數IC一個程序所花的CPU時間(T)可以用兩種方式來表示：CPU時間(T)=CPU時鐘周期數(CPI×IC)*時鐘周期長(t)每條指令的平均時鐘周期數：例1.3

如果FP操作的比例為25%，FP操作的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI為1.33，FPSQR操作的比例為2%，FPSQR的CPI為20。假設有兩種設計方案，分別把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI減為2。試利用CPU性能公式比較這兩種設計方案哪一個更好(只改變CPI而時鐘頻率和指令條數保持不變)。例1.3的解答解：原系統的CPI=25%×4+75%×1.33=2方案1（使FPSQR操作的CPI為2）系統

CPI=CPI原-2%×（20-2）=2-2%×18=1.64方案2（提高所有FP指令的處理速度）系統

CPI=CPI原-25%×（4-2）=2-25%×2=1.5我們也可以根據以下公式計算出方案2系統的CPICPI=75%×1.33+25%×2=1.5顯然，提高所有FP指令處理速度的方案要比提高FPSQR處理速度的方案要好。方案2的加速比=2/1.5=1.33程序訪問的局部性規律局部性分時間上的局部性和空間上的局部性時間局部性：程序中近期被訪問的信息項很可能馬上將被再次訪問。空間局部性：指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能會被一起訪問。存儲器體系的構成就是以訪問的局部性原理為基礎的。計算機系統設計者的主要任務

滿足用戶對功能上的要求以及相應的價格性能要求滿足功能要求的基礎上，進行優化設計設計應能適應日后的發展趨勢硬件與軟件的發展硬件：晶體管數：

增加25%/年，

三年一倍DRAM的密度：60%/年，二年三倍訪存周期：減少33%/十年硬盤密度：增加25%/年訪問時間：減少33%/十年

軟件：

程序空間：

1.5~2位/年地址：0.5~1位/年

計算機系統設計思路由上往下(Top-down)由下往上(Bottom-up)由中間開始(Middle-out)由上往下(Top-down)設計過程：由上向下面向應用的數學模型面向應用的高級語言面向這種應用的操作系統面向操作系統和高級語言的機器語言面向機器語言的微指令系統和硬件實現應用場合：專用計算機的設計（早期計算機的設計）特點：對于所面向的應用領域，性能和性能價格比很高，應用對象變了，難以適應。隨著通用計算機價格降低，目前已經很少采用第一步：確定這一級的基本特性第二步：設計或選擇面向這種應用的高級語言第三步：設計適于所用高級語言編譯的中間語言第四步：設計面向這種應用的操作系統第五步：設計面向所用編譯程序和操作系統的機器語言第六步：設計面向機器語言的偽指令機器硬件實現微程序機器級傳統機器級操作系統虛擬機器級匯編（中間）語言虛擬機器級面向應用的高級語言虛擬機器級應用虛擬機器級由上往下設計由下往上(Bottom-up)設計過程：根據當時的器件水平，設計微程序機器級和傳統機器級。根據不同的應用領域設計多種操作系統、匯編語言、高級語言編譯器等。最后設計面向應用的虛擬機器級。應用場合：

在計算機早期設計中（60～70年代）廣為采用特點：容易使軟件和硬件脫節軟件被動，某些性能指標不確切整個計算機系統的效率降低。微程序機器級傳統機器級操作系統虛擬機器級匯編（中間）語言虛擬機器級面向應用的高級語言虛擬機器級應用虛擬機器級由下往上設計由中間開始(Middle-out)設計過程：首先定義軟硬件的分界面，包括：指令系統、存儲系統、輸入輸出系統、中斷系統、硬件對操作系統和編譯系統的支持等然后各個層次分別進行設計：軟件設計人員設計操作系統、高級語言、匯編語言、應用出現等；硬件設計人員設計傳統機器、微程序、硬聯邏輯等應用場合：用于系列機的設