计算机系统结构 (第2讲) 主讲人： 郑纬民 教授 清华大学计算机系
计算机系统结构 （第2讲） 主讲人： 郑纬民 教授 清华大学计算机系
第一章基本概念 1.1计算机系统结构的定义 1.2计算机系统的评价标准 1.3计算机系统的设计方法 1.4计算机系统结构的发展 1.5计算机系统的分类
第一章 基本概念 1.1 计算机系统结构的定义 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计方法 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类
1.2计算机系统的评价标准：性能和价格 1.2.1性能评测的常用方法：运算速度 1.时钟频率（主频）：用于同类处理机之间 如：Pentium IⅡ/450比Pentium IⅡ/300快 50%, 2.指令执行速度一种很经典的表示方法 MIPS (Million Instructions Per Second). KIPS,GIPS,TIPS 指令条数 Fz MIPS= =IPC×Fz 执行时间×106CPI
1.2 计算机系统的评价标准：性能和价格 1.2.1 性能评测的常用方法：运算速度 1. 时钟频率（主频）：用于同类处理机之间 如：PentiumⅡ/450 比 PentiumⅡ/300快 50％，… 2. 指令执行速度 一种很经典的表示方法 MIPS (Million Instructions Per Second), KIPS, GIPS, TIPS MIPS 10 Fz CPI IPC Fz 6 = = = 指令条数 执行时间
其中，Fz为处理机的工作主频；CPI(Cycles Per Instruction)为每条指令所需的平均时钟 周期数；IPC(nstruction Per Cycle)为每个 时钟周期平均执行的指令条数 例1： 计算PentiumⅡ450处理机的运算速度。 解：由于PentiumIⅡ450处理机的IP℃=2（或 CPI=0.5),Fz=450MHz,因此， MIPSPentium I450=Fz×IPC=450×2= 900(MIPS)
其中，Fz为处理机的工作主频；CPI (Cycles Per Instruction)为每条指令所需的平均时钟 周期数；IPC (Instruction Per Cycle)为每个 时钟周期平均执行的指令条数 例1： 计算Pentium II 450处理机的运算速度。 解：由于PentiumII 450处理机的IPC＝2 (或 CPI＝0.5), Fz＝450MHz，因此， MIPSPentium II 450＝Fz×IPC＝450×2＝ 900(MIPS)
主要缺点： (1)不同指令的速度差别很大 (2)指令使用频度差别很大 (3)有相当多的非功能性指令
主要缺点： （1）不同指令的速度差别很大 （2）指令使用频度差别很大 （3）有相当多的非功能性指令
3.等效指令速度：吉普森(Gibson)法 等效指令执行时间T=∑(W,×T) i1 等效指令速度PS= W MIPS 等效CPI=∑(CPI×WD i=l 其中， Wi:指令使用频度，i:指令种类 静态指令使用频度：在程序中直接统计 动态指令使用频度：在程序执行过程中统计 在计算机发展的早期，用加法指令的运算速度来衡量 计算机的速度。通常：加、减法50%，乘法15%， 除法5%，程序控制15%，其他15%
3. 等效指令速度：吉普森（Gibson）法 其中， Wi：指令使用频度，i：指令种类 静态指令使用频度：在程序中直接统计 动态指令使用频度：在程序执行过程中统计 在计算机发展的早期，用加法指令的运算速度来衡量 计算机的速度。通常：加、减法50％，乘法15％， 除法5％，程序控制15％，其他15％ 等效 （ ） 等效指令速度 等效指令执行时间 = = = = = = n i i i n i i i n i i i CPI CPI W MIPS W MIPS T W T 1 1 1 1/ ( )
例2： 我国最早研制的小型计算机DJS-130,定点 16位，加法每秒50万次，但没有硬件乘 法和除法指令，用软件实现乘法和除法， 速度低100倍左右。求等效速度。 解： 定点等效速度为： 等效指令速度MPs=1/(080+0.20 )=0.02MPS 0.50.5/100 即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现， 等效速度降低了25倍
例2： 我国最早研制的小型计算机DJS-130，定点 16位，加法每秒50万次，但没有硬件乘 法和除法指令,用软件实现乘法和除法， 速度低100倍左右。求等效速度。 解： 定点等效速度为： 即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现， 等效速度降低了25倍。 等效指令速度MIPS 1/ （ ） 0.80 0.5 0.20 0.5 /100 = + = 0.02MIPS
例3： 假设在程序中浮点开平方操作FPSQR的 比例为2%，它的CPI为100：其他浮点 操作FP的比例为23%，它的CPI=4.0: 其余75%指令的CPI=1.33,计算该处理 机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也 为4.0，重新计算等效CPI
例3： 假设在程序中浮点开平方操作FPSQR的 比例为2％，它的CPI为100；其他浮点 操作FP的比例为23％，它的CPI＝4.0； 其余75％指令的CPI＝1.33，计算该处理 机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也 为4.0，重新计算等效CPI
解： 等效CPI1= 100×2%+4x23%+ 1.33×75% 3.92 等效CPL, 4×25%+1.33×75% 2.00 由于改进了仅占2%的FPSQR操作的 CPI,使等效速度提高了近一倍
解： 由于改进了仅占2％的FPSQR操作的 CPI，使等效速度提高了近一倍。 等效CPI1 ＝ 1002％＋423％＋ 1.3375％ ＝ 3.92 等效CPI2 ＝ 425％＋1.3375％ ＝ 2.00
指令执行速度的几种平均方法 上述2中的指令执行速度又称为算术平 均速度 上述3中的等效指令执行速度又称为加 权平均速度，或调和平均速度 几何平均速度： ETR i
指令执行速度的几种平均方法 上述2中的指令执行速度又称为算术平 均速度 上述3中的等效指令执行速度又称为加 权平均速度，或调和平均速度 几何平均速度： n n i G ETRi = = 1