专升本-计算机系统结构-04-05

计算机系统的软硬件取舍与定量设计原理

计算机系统的软硬件取舍

1. 软硬件占比示意图：
   

2. 计算机系统软硬件费用评估

无论是硬件还是软件，费用都应包括研制费用和重复生产费用

- 研制费用（Design）
设某功能的软、硬件实现的每次设计费用分别为Ds和Dh，则Dh≈100Ds是完钱可能的
- 生产费用（Manufacture）
设该功能软、硬件实现的每次重复生产费用分别为Ms和Mh，则Mh≈100Ms也是可能的

3. 计算机系统软硬件费用评估
   设C为该功能在软件实现时需重新设计的次数，则该功能用软件实现的设计费用就是为：C*Ds。

设该功能在存储介质上出现了R次，软件实现此功能的重复生产费用就为：R*Ms。

假定该计算机系统共生产了V台，每台计算机若用硬件实现该功能的费用就为：Dh/V + Mh

改用软件实现则为：CDs/V + RMs

只有：Dh/V + Mh < CDs/V + RMs

将上述Dh与Ds、Mh与Ms的比值带入，得到：100Ds/V+100Ms<CDs/V+RMs

假设Ds≈Ms*10^4 得到 10^6/V+100<C*104/V+R

用硬件实现事宜

因为C值一般总比100小，所以V值愈大，这个不等式就愈能成立。换句话说，只有计算机系统的产量大，增大硬件实现的比例才是适宜的。如果用硬件实现不能给用户带来明显的好处，其产量仍然较低，是不会有生命力的。

4. 计算机系统软硬件取舍的基本原则
   • 从实现费用、速度和其他性能要求综合考虑，获取高的性能价格比
   • 要考虑到准备采用和可能采用的的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用。
   • 不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组装成技术的成果和发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把为编译和操作系统的实现，从至高级语言程序的设计提供更好的硬件支持放在首位。

定量设计原理

1. 怎么描述一个计算机系统的性能
   • 使用者：响应时间（response time）
     完成任务的时间（执行时间）
     事件从开始到结束所用的时间
     执行时间（execution time），响应时间（response time），延迟（latency）
   • 管理员：吞吐量（throughput）
     单位时间内完成的总工作量
     单位时间（每天，小时，星期，秒，纳秒等）
     任务数量（性能）
     吞吐量（throughput），带宽（bandwidth）流量
2. 常用计算机系统的性能指标
   • 时钟频率（处理机主频）：主频、外频、倍频
     • 主频：CPU工作频率
     • 外频：主板工作频率
     • 倍频：主频与外频的倍率（主频/外频=倍频）
     • 在同一个体系结构中（比如都是因特单核cpu）可以用比较主频，这时候主频越高，性能越好，非同一个体系（比如一个是因特的单核，一个是因特的双核），则主频并不能完全决定谁的性能更好

- MIPS每秒百万条指令：Million Instructions Per Second
- 该参数，不完全准确，因为可能会存在实现同一个功能，一个是完全使用软件计算的（比如一秒钟执行了百万条），一个是可以依赖于硬件计算（比如一秒钟执行了两条）的比较，这时候两者的执行时间差距不大的时候，我们没法比较两个计算机谁的性能更好，不可能直接说软件的效率高于硬件吧

- Mflops每秒百万条浮点指令：Millions of FLoating-point Operations executed per second
  - 计算浮点数的效率，计算一个浮点数计算，在单位时间内执行下指令条数，但是此参数依然不能完全准确表示计算机执行效率
- 真实程序的运行时间
  - 此参数是计算机性能的唯一可靠的测度
  - 衡量性能最可靠的标准：真实程序的执行时间：相同的任务，花费的时间越少、速度越快，性能越高。区别在于是单任务（关注相应时间）还是多任务（关注吞吐量）

3. 定量设计原理
   • 大概率事件优先原则（哈夫曼压缩原理）：加快经常性事件的速度（make the common case fast）
   • 阿姆达尔定律：定义系统性能的加速比，确定对性能限制最大的部件，计算改进某些部件所获得的性能提高
   • 程序的局部性原理：空间局部性，时间局部性

	时间局部性	空间局部性
指令	循环语句	顺序语句
数据	变量、数据	字符串、数组

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