體系結(jié)構(gòu)第1章 第3講教材

1、國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院主講人： 教授5.集成電路的發(fā)展和摩爾定律集成電路的發(fā)展和摩爾定律o 1965年，時(shí)任仙童公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾（年，時(shí)任仙童公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾（Gordon Mooer）在）在Electronics上撰文上撰文，認(rèn)為集成電路密度大約每?jī)赡攴环?，認(rèn)為集成電路密度大約每?jī)赡攴环琽 40年來(lái)，摩爾定律不但印證了集成電路技術(shù)的發(fā)年來(lái)，摩爾定律不但印證了集成電路技術(shù)的發(fā)展，也印證了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展展，也印證了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展第一章第一章 基本概念基本概念本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念1.2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)

2、構(gòu)的發(fā)展1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析1.4 小結(jié)小結(jié)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析o 1.3.1成本與價(jià)格成本與價(jià)格o 1.3.2基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序o 1.3.3量化設(shè)計(jì)的基本原則量化設(shè)計(jì)的基本原則1.3.1成本與價(jià)格成本與價(jià)格o 商品的標(biāo)價(jià)（價(jià)格）由這樣一些因素構(gòu)成商品的標(biāo)價(jià)（價(jià)格）由這樣一些因素構(gòu)成n 原料成本、直接成本、毛利和折扣原料成本、直接成本、毛利和折扣o PC的成本和價(jià)格的成本和價(jià)格 標(biāo)價(jià) 平均銷(xiāo)售 25% 折扣 價(jià)格 25% 毛利 19% 毛利 17% 直接成本 13% 直接成本 10% 直接成本 100% 原料成本 83% 原料成本

3、62% 原料成本 47% 原料成本 增加 增加 增加 20% 33% 33% 裝機(jī)部件的成本分布（裝機(jī)部件的成本分布（2012.11）型號(hào)型號(hào)價(jià)格（元）價(jià)格（元）比例比例處理器處理器AMDAMD AthlonAthlon IIII X4X4 7407404804809.0%9.0%主板主板映泰映泰 Hi-Fi-A85WHi-Fi-A85W59959911.2%11.2%顯卡顯卡華碩華碩 HD7850-DC-1GD5HD7850-DC-1GD51299129924.3%24.3%內(nèi)存內(nèi)存威剛?cè)f紫千紅威剛?cè)f紫千紅8GB8GB DDR3DDR3 160016002102103.9%3.9%硬盤(pán)硬盤(pán)希

4、捷希捷 酷魚(yú)酷魚(yú)1TB1TB 單碟單碟4604608.6%8.6%顯示器顯示器AOCAOC D2357PHD2357PH1599159929.9%29.9%鼠標(biāo)鼠標(biāo)賽睿賽睿 KinzuKinzu v2v21691693.2%3.2%鍵盤(pán)鍵盤(pán)雷蛇雷蛇 橘倉(cāng)金蛛橘倉(cāng)金蛛 工包版工包版1591593.0%3.0%機(jī)箱機(jī)箱航嘉航嘉 暗夜奇兵暗夜奇兵1491492.8%2.8%電源電源安鈦克安鈦克 VPVP 350P350P2292294.3%4.3%總價(jià)總價(jià)53535353成本成本-時(shí)間因素：學(xué)習(xí)曲線時(shí)間因素：學(xué)習(xí)曲線o 產(chǎn)品價(jià)格隨時(shí)間變化的特性，就是價(jià)格隨時(shí)產(chǎn)品價(jià)格隨時(shí)間變化的特性，就是價(jià)格隨時(shí)間下

5、降的趨勢(shì)間下降的趨勢(shì)1.3.2基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序o 性能與測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間相關(guān)，那么用什性能與測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間相關(guān)，那么用什么做測(cè)試程序呢？么做測(cè)試程序呢？o 五類測(cè)試程序五類測(cè)試程序n 真實(shí)程序真實(shí)程序n 修正的（或者腳本化）應(yīng)用程序修正的（或者腳本化）應(yīng)用程序n 核心程序核心程序n 小測(cè)試程序小測(cè)試程序n 合成測(cè)試程序合成測(cè)試程序o 測(cè)試程序包測(cè)試程序包(組件組件, benchmark suites)n 選擇一組各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序組成選擇一組各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序組成n 盡可能全面地測(cè)試了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能盡可能全面地測(cè)試了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能 測(cè)試程序包：測(cè)試程序

6、包：www.SPEC.orgo 基于基于NUIX，誕生于，誕生于20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代o 由真實(shí)程序和核心程序構(gòu)成由真實(shí)程序和核心程序構(gòu)成o 采用采用C和和Fortran兩種語(yǔ)言，后增加兩種語(yǔ)言，后增加C+o 包括整數(shù)部分包括整數(shù)部分SPECint和浮點(diǎn)部分和浮點(diǎn)部分SPECfpo 主要版本包括主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和和SPEC2006等等n SECP2006功能進(jìn)一步細(xì)化功能進(jìn)一步細(xì)化o 臺(tái)式計(jì)測(cè)試：臺(tái)式計(jì)測(cè)試：SPEC CPU2000o 圖像測(cè)試：圖像測(cè)試：SPECviewperf, SPECapco NFS性能測(cè)試：性能測(cè)試：SPECSF

7、So Web服務(wù)測(cè)試：服務(wù)測(cè)試：SPECWebSPEC CPU2006o SPEC2006有有12個(gè)整數(shù)程序個(gè)整數(shù)程序n 9個(gè)個(gè)C程序程序n 其它是其它是C+程序程序o 浮點(diǎn)包中有浮點(diǎn)包中有n 6個(gè)個(gè)Fortrann 4個(gè)個(gè)C+n 3 個(gè)個(gè)Cn 4個(gè)個(gè)C和和Fortran混合程序混合程序其它測(cè)試包其它測(cè)試包o TPC-xn 測(cè)量事務(wù)處理、排隊(duì)系統(tǒng)、決策支持、數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)量事務(wù)處理、排隊(duì)系統(tǒng)、決策支持、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用等的性能應(yīng)用等的性能n 1985年發(fā)布第一個(gè)年發(fā)布第一個(gè)TPC測(cè)試程序測(cè)試程序TPC-A，并，并先后發(fā)布多個(gè)修改版本并補(bǔ)充了四個(gè)不同的測(cè)先后發(fā)布多個(gè)修改版本并補(bǔ)充了四個(gè)不同的測(cè)試程序，構(gòu)成試

8、程序，構(gòu)成TPC測(cè)試程序組件測(cè)試程序組件 o 嵌入式處理器嵌入式處理器n EEMBC: EDN 嵌入式微處理器測(cè)試程序聯(lián)嵌入式微處理器測(cè)試程序聯(lián)盟發(fā)布的測(cè)試程序包盟發(fā)布的測(cè)試程序包1.3.3量化設(shè)計(jì)的基本原則量化設(shè)計(jì)的基本原則1大概率事件優(yōu)先原則大概率事件優(yōu)先原則n 追求全局的最優(yōu)結(jié)果追求全局的最優(yōu)結(jié)果2Amdahl定律定律n 系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性的重要性n 可以定量計(jì)算可以定量計(jì)算3程序的局部性原理程序的局部性原理n 程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)存儲(chǔ)器在時(shí)程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)存儲(chǔ)器在時(shí)-空上是相對(duì)地空上是相對(duì)地簇聚簇聚n 這種簇聚包括指令和

9、數(shù)據(jù)兩部分這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分大概率事件優(yōu)先的原則大概率事件優(yōu)先的原則o 對(duì)于大概率事件對(duì)于大概率事件(最常見(jiàn)的事件最常見(jiàn)的事件)，賦予它，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果最優(yōu)結(jié)果o 要能夠確定什么是大概率事件，同時(shí)要說(shuō)明要能夠確定什么是大概率事件，同時(shí)要說(shuō)明針對(duì)該事件進(jìn)行的改進(jìn)將如何提高機(jī)器的性針對(duì)該事件進(jìn)行的改進(jìn)將如何提高機(jī)器的性能能o “好鋼用在刀刃上好鋼用在刀刃上”，事半功倍，事半功倍Amdahl定律定律o 假設(shè)我們對(duì)機(jī)器（部件）進(jìn)行某種改進(jìn)，那假設(shè)我們對(duì)機(jī)器（部件）進(jìn)行某種改進(jìn)，那么機(jī)器系統(tǒng)（部件）的加速比就是么機(jī)器系

10、統(tǒng)（部件）的加速比就是o 核心概念：時(shí)間核心概念：時(shí)間o 系統(tǒng)加速比告訴我們改進(jìn)后的機(jī)器比改進(jìn)前系統(tǒng)加速比告訴我們改進(jìn)后的機(jī)器比改進(jìn)前快多少快多少 改進(jìn)后改進(jìn)后改進(jìn)前改進(jìn)前改進(jìn)前改進(jìn)前改進(jìn)后改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比Amdahl定律定律o 系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素n “可改進(jìn)比例可改進(jìn)比例”：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例間中所占的比例 ，它總是小于等于，它總是小于等于1的的o T0/T1n “部件加速比部件加速比”可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能

11、提高，一般情況下它是大于高，一般情況下它是大于1的的o T1/T2ToT1T2TeAmdahl的系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間的系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間o 部件改進(jìn)后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時(shí)間等于不可改部件改進(jìn)后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時(shí)間等于不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間加上可改進(jìn)部分改進(jìn)后的進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間加上可改進(jìn)部分改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間，即：執(zhí)行時(shí)間，即：o總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后改進(jìn)后=（1-可改進(jìn)比例）可改進(jìn)比例） 總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前改進(jìn)前+ = 總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前改進(jìn)前 （1-可改進(jìn)比例）可改進(jìn)比例）+ 部件加速比總執(zhí)行時(shí)間可改進(jìn)比例改進(jìn)前部件加速比可改進(jìn)比例Amdahl的系統(tǒng)加速比的系統(tǒng)加速比o 系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改

12、進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比，為：比，為：系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比 = = 改進(jìn)后改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間總執(zhí)行時(shí)間部部件件加加速速比比可可改改進(jìn)進(jìn)比比例例可可改改進(jìn)進(jìn)比比例例 )1 (1Amdahl定律的觀點(diǎn)定律的觀點(diǎn)o 性能增加的性能增加的遞減遞減規(guī)則規(guī)則n 僅僅對(duì)計(jì)算機(jī)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)僅僅對(duì)計(jì)算機(jī)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小越多，系統(tǒng)獲得的效果越小o Amdahl定律的一個(gè)重要推論定律的一個(gè)重要推論n 針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，則針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，則最大加速最大加速比比不大于不大于o Amdahl定律衡量一個(gè)定律衡量一個(gè)

13、“好好”的計(jì)算機(jī)系的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)n 具有高性能價(jià)格比的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)具有高性能價(jià)格比的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)帶寬平帶寬平衡衡的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能可可改改進(jìn)進(jìn)比比例例11Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)例例1：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過(guò)程中，浮點(diǎn)操作：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過(guò)程中，浮點(diǎn)操作時(shí)間占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的時(shí)間占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的10%，現(xiàn)希望對(duì)浮，現(xiàn)希望對(duì)浮點(diǎn)操作加速。點(diǎn)操作加速。n 設(shè)對(duì)浮點(diǎn)操作的加速比為設(shè)對(duì)浮點(diǎn)操作的加速比為Sf，請(qǐng)推導(dǎo)出程序總，請(qǐng)推導(dǎo)出程序總的加速比的加速比S和和Sf 之間的關(guān)系表達(dá)式；之間的關(guān)系表達(dá)式；n 請(qǐng)問(wèn)程序的最大加速比可達(dá)多少

14、？請(qǐng)問(wèn)程序的最大加速比可達(dá)多少？Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)ffffeSSSffS1 .09 .01%10%)101 (1)1 (1fS與與Sf的關(guān)系表達(dá)式為：的關(guān)系表達(dá)式為：Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)9/101 . 09 . 01limmaxfSSSff程序的最大加速比程序的最大加速比Smax為：為：Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)例例2： 求平方根和浮點(diǎn)乘是圖形應(yīng)用中常用的求平方根和浮點(diǎn)乘是圖形應(yīng)用中常用的轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機(jī)器的一轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機(jī)器的一個(gè)基準(zhǔn)程序中占總執(zhí)行時(shí)間的個(gè)基準(zhǔn)程序中占總執(zhí)行時(shí)間的20%，浮點(diǎn)乘操作在該程序中占總執(zhí)行時(shí)間浮點(diǎn)乘操作在該程序中占總執(zhí)行

15、時(shí)間30%，現(xiàn)通過(guò)兩種方法加速兩操作，現(xiàn)通過(guò)兩種方法加速兩操作增加專門(mén)的硬件處理求平方根，使其執(zhí)增加專門(mén)的硬件處理求平方根，使其執(zhí)行速度為原來(lái)的行速度為原來(lái)的10倍倍通過(guò)調(diào)整流水線把浮點(diǎn)乘速度提高為原通過(guò)調(diào)整流水線把浮點(diǎn)乘速度提高為原來(lái)的來(lái)的1.6倍倍問(wèn)：?jiǎn)枺翰捎脙煞N方法增強(qiáng)后此基準(zhǔn)程序加速比采用兩種方法增強(qiáng)后此基準(zhǔn)程序加速比是多少？是多少？Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)30%20%加速比加速比= = 增強(qiáng)前時(shí)間增強(qiáng)前時(shí)間/ /增強(qiáng)后時(shí)間增強(qiáng)后時(shí)間 =1/=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6)0.5+0.2/10+0.3/1.6) =1/0.7075 =1/0.7075 =1.41 =1.41程序局部性程序局部性o 程序訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)程序訪問(wèn)地址的