第1章-2-計算機(jī)設(shè)計基本原理-計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1第1章計算機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)1.1引言1.2計算機(jī)的分類1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義和計算機(jī)的設(shè)計任務(wù)1.4實(shí)現(xiàn)技術(shù)的趨勢1.5集成電路功耗的趨勢1.6成本的趨勢1.7可靠性1.8測量、報告和總結(jié)計算機(jī)性能1.9計算機(jī)設(shè)計的量化原則1.10綜合：性能和性價比元器件成本是設(shè)計者需要考慮的一個方面影響成本的主要因素：Time----元器件價格隨著時間而下降（實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)）。因?yàn)殡S著時間推移產(chǎn)出率不斷增高。Volume

（產(chǎn)量）----提高意味著制造效率提高Commodification（商品）----元器件供應(yīng)商之間的競爭會降低成本1.6成本的趨勢2存儲器芯片成本趨勢3集成電路的生產(chǎn)過程

4一片集成電路成本=每芯片成本+每個芯片測試成本+每個芯片封裝成本

一片封裝好的集成電路成本的計算：每芯片成本=一片晶園成本

每片晶園的芯片數(shù)×芯片成品率每片晶圓的芯片數(shù)=-

晶圓面積

芯片面積

晶圓周長

芯片對角線長芯片成品率=晶圓成品率×（1+）

單位面積的缺陷數(shù)×芯片面積

α-α5每片晶圓的芯片數(shù)=-

晶圓面積

芯片面積結(jié)論1，芯片面積直接影響芯片成本：

芯片面積大→晶圓上芯片數(shù)減少→芯片成本上升

晶圓周長

芯片對角線長

α

是取決于制造工藝復(fù)雜性的一個參數(shù)，與掩膜的層數(shù)成正比。對于目前復(fù)雜的CMOS工藝來說，估算值α=4。

單位面積缺陷數(shù)是衡量材料與工藝的一個指標(biāo)，典型值為0.5~1/cm2芯片成品率=晶圓成品率×（1+）

單位面積的缺陷數(shù)×芯片面積

α-α假設(shè)為100%6例子：直徑為30cm的晶圓上有多少邊長為1.5cm的芯片？答：芯片面積為（1.5cm）2=2.25cm27每片晶圓的芯片數(shù)=-=270

π×（30/2）2

2.25

π×30

2.12類似的，直徑30cm晶圓上邊長為1cm的芯片數(shù)為：640例：設(shè)單位面積殘次密度為0.4/cm2，且α=4.0，分別求邊長1.5cm和1.0cm芯片的成品率。8芯片成品率=（1+）

單位面積的缺陷數(shù)×芯片面積

α-α答：1.5cm芯片成品率=（1+）=0.440.4×2.254.0-41.0cm芯片成品率=（1+）=0.680.4×1.004.0-4結(jié)論2：芯片面積大→成品率更低→芯片成本上升直徑30cm晶圓有270×0.44=120個面積2.25cm2成品芯片，

或者有640×0.68=435個面積1cm2成品芯片。2006年，設(shè)30cm晶圓成本是5500美元，1個1.00cm2的芯片成本----13美元1個2.25cm2的芯片成本----46美元推論：芯片面積增加到2倍，則成本增加到約4倍。芯片成本對于計算機(jī)設(shè)計者，能夠控制的是芯片面積：功能特性和I/O管腳數(shù)目9一個計算機(jī)系統(tǒng)中的成本分布下表表明了2001年$1000PC成本的近似分解10成本與價格器件成本（Componentcosts）直接成本（directcost）：直接影響產(chǎn)品的成本.人力成本,廢料(theleftoverfromyield),和保修期內(nèi)的保修費(fèi)等直接成本在器件成本上增加20%~40%.毛利潤（grossmargin，間接成本）企業(yè)一般管理費(fèi)直接分?jǐn)偟揭粋€產(chǎn)品中.研發(fā)(R&D)，制造設(shè)備，市場銷售

，維護(hù),租場地,經(jīng)濟(jì)成本,稅收等.研發(fā)費(fèi)用一般占收入的4%~12%1112Averagesellingprice（平均銷售價格）

=Componentcosts+directcost+grossmarginASP直接被計入到每一個產(chǎn)品的售價.Listprice（市場價格）=Componentcosts+directcosts+grossmargin+averagediscount商家在ASP上的加價（一般是listprice的25%~50%）13$1000PC的價格組成14前圖表明了一個設(shè)計決定是怎樣影響出售價格的

如：成本增加1000美元，則售價可能增加到3000~4000美元考慮產(chǎn)量與價格的關(guān)系：直接影響產(chǎn)品的成本.通常，出售的計算機(jī)越少，價格越高產(chǎn)量的減少會引起成本的增加，進(jìn)一步引起價格增加因此，成本的小變化可能引起意料不到的價格大增成本與價格15第1章計算機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)1.1引言1.2計算機(jī)的分類1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義和計算機(jī)的設(shè)計任務(wù)1.4實(shí)現(xiàn)技術(shù)的趨勢1.5集成電路功耗的趨勢1.6成本的趨勢1.7可靠性1.8測量、報告和總結(jié)計算機(jī)性能1.9計算機(jī)設(shè)計的量化原則1.10綜合：性能和性價比1.7可靠性--Dependability可靠性：廣義上包括可靠性、安全性和可用性（Dependabilityisadeliberatelybroadtermtoencompassmanyfacetsincludingreliability,security

andavailability.）

系統(tǒng)的可靠性：系統(tǒng)從某個初始參考點(diǎn)開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力。

例如：一個桌面電腦能用多久才出現(xiàn)故障？1617可靠性的量化模塊可靠性：從模塊可用到出現(xiàn)故障的持續(xù)服務(wù)度量MTTF（meantime

tofailure）:平均故障時間MTTR（meantimetorepair）:

平均修復(fù)時間FIT（故障率）：1/MTTFMTBF:

平均無故障時間=MTTF+MTTR模塊可用性MTTF=MTTFMTTF+MTTRMTBF例題設(shè)一個磁盤子系統(tǒng)有如下組件和MTTF:10個磁盤，每一個的MTTF是1000000小時1個SCSI控制器，500000小時的MTTF1個電源，200000小時的MTTF1個風(fēng)扇，200000小時的MTTF1條SCSI電纜，1000000小時的MTTF

假設(shè)生存周期是按指數(shù)分布的，并且故障具有獨(dú)立性，計算整個系統(tǒng)的MTTF。系統(tǒng)故障率=

10×++++1解：100000015000001100000012000001200000=231000000系統(tǒng)的MTTF===43500小時（接近5年）1系統(tǒng)故障率10000002318提高可靠性的方法冗余（Redundancy）:時間冗余:重復(fù)操作直到無錯資源冗余:配置另外的相同部件，有錯時用于替代出錯部件1920第1章計算機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)1.1引言1.2計算機(jī)的分類1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義和計算機(jī)的設(shè)計任務(wù)1.4實(shí)現(xiàn)技術(shù)的趨勢1.5集成電路功耗的趨勢1.6成本的趨勢1.7可靠性1.8測量、報告和總結(jié)計算機(jī)性能1.9計算機(jī)設(shè)計的量化原則1.10綜合：性能和性價比21性能：速度1.8測量、報告和總結(jié)計算機(jī)性能22測量和報告性能比較機(jī)器性能的指標(biāo)執(zhí)行時間(響應(yīng)時間，時延)吞吐量MIPS-millionsofinstructionspersecond用程序集比較機(jī)器性能選擇適當(dāng)?shù)某绦蛟u估性能基準(zhǔn)測試程序套件（BenchmarkSuites）運(yùn)行時間不同平均值（DifferentMeans）:算數(shù)（Arithmetic）、

調(diào)和（Harmonic）、

幾何（Geometric）平均值23性能指標(biāo)—響應(yīng)時間墻鐘時間程序開始執(zhí)行到結(jié)束看鐘知道的時間，就是墻鐘時間，也稱為響應(yīng)時間或消逝時間測量用戶感覺到的系統(tǒng)速度墻鐘時間的問題如果一個機(jī)器上運(yùn)行多個程序

？如果程序運(yùn)行時需要用戶輸入？24性能指標(biāo)--CPU時間測量CPU時間更具可計算性(notwaitingforI/O)測量設(shè)計者感覺到的CPU速度CPU時間進(jìn)一步分為：用戶CPU時間-花費(fèi)在用戶模式的時間系統(tǒng)CPU時間-花費(fèi)在OS的時間Unix時間命令報告CPU時間：90.7u12.9s2:3965%90.7userCPUseconds(intheuser’sprogram)12.9systemCPUseconds(inthesystemcallse.g.printf)2minutes,39secondswall-clocktime65%ofthewallclocktimewasspentrunningontheCPU25性能指標(biāo)----吞吐量單位時間內(nèi)完成的工作總量---吞吐量測量管理員感覺到的系統(tǒng)性能常用吞吐量測量每天產(chǎn)生的代碼行的數(shù)量每秒在一根導(dǎo)線上傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量服務(wù)的網(wǎng)頁數(shù)量以上對照時延產(chǎn)生一行代碼的時間量一根導(dǎo)線傳輸一位的時間量等待接受網(wǎng)頁的時間量處理器性能一般使用相對時延：程序A比程序B快10倍對于一些應(yīng)用，吞吐量比時延更重要：金融市場,政府統(tǒng)計（人口普查）26響應(yīng)時間與吞吐量通常改善了響應(yīng)時間也會改善吞吐量處理器用更快的型號替換只改善吞吐量而不改善響應(yīng)時間在一個系統(tǒng)中增加額外的處理器，如用多處理器27另一個工業(yè)性能指標(biāo):MIPSMIPS-MillionsofInstructionsperSecond對于具有相同指令集的兩臺機(jī)器(A,B),用MIPS對它們進(jìn)行比較一般是公平的MIPS可能是一個“無意義的性能指標(biāo)”28例子:MIPS或許是無意義的機(jī)器A有一條計算平方根的特殊指令，它執(zhí)行需要100個時鐘周期（設(shè)每個時鐘周期1us）機(jī)器B沒有這種指令---它計算平方根用軟件方式即用加、乘、移位簡單指令（一般執(zhí)行需要1個時鐘周期，設(shè)時鐘周期1us）編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器A:1/100us=0.01MIPS機(jī)器B:1/1us=1MIPS29另一種觀點(diǎn)：

功耗和效率嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵因素：成本物理尺寸存儲空間功耗例如：AMDElanSC520AMDK6-2EIBMPowerPC750CXNECVR5432NECVR4122NECVR4122的性能/瓦最好,但是它是其中效率倒數(shù)第2低的處理器。

30響應(yīng)(執(zhí)行)時間

用戶的感覺系統(tǒng)性能僅有的各方都認(rèn)可的性能測量指標(biāo)CPU時間

設(shè)計者的感覺CPU性能吞吐量管理員感覺MIPS商人的感覺性能指標(biāo)總結(jié)31選擇程序評估機(jī)器性能理想的性能評估：

運(yùn)行隨機(jī)取樣的用戶的程序和OS命令不同類型的基準(zhǔn)測試程序（benchmarks）3232

不同類型的基準(zhǔn)測試程序（benchmarks）

核心測試程序：從實(shí)際的程序中抽取少量較短的關(guān)鍵程序框架代碼構(gòu)成，這些代碼的執(zhí)行直接影響程序總的執(zhí)行時間。如LivermoreLoops和Linpack。小測試程序：代碼在10~100行，具有特定目的測試程序。如SieveofErastosthenes,Puzzle和Quieksort。綜合測試程序：對一大套應(yīng)用程序中的操作和操作數(shù)的執(zhí)行頻率進(jìn)行統(tǒng)計，得到平均執(zhí)行頻率，再按這個頻率編制的模擬測試程序。如Whetstone和Dhrystone。

基準(zhǔn)測試程序集：選擇一組有代表性的不同類型應(yīng)用程序，集中起來構(gòu)成基準(zhǔn)測試程序集，以有效評測計算機(jī)處理各種應(yīng)用的性能。這種測試程序集合也稱為測試程序組件（benchmarksuites）。如SPEC，TPC。33注意：基準(zhǔn)測試程序的局限基準(zhǔn)測試程序可能針對系統(tǒng)的某些方面floatingpoint&integer運(yùn)算,memorysystem,I/O,OS通用基準(zhǔn)測試程序可能會誤導(dǎo)消費(fèi)者，因?yàn)橛布途幾g器的供應(yīng)商或許會僅僅針對這些測試程序優(yōu)化他們的設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能對某些應(yīng)用性能好，而對其他應(yīng)用性能差。利用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的編譯可以提高性能。針對特定應(yīng)用程序的編譯器優(yōu)化已普遍采用。最好的基準(zhǔn)測試程序就是實(shí)際應(yīng)用程序，因?yàn)樗鼈兎磻?yīng)了終端用戶的需要。34SPEC—實(shí)用基準(zhǔn)測試程序集SPEC-TheSystemPerformanceEvaluationCooperative一個開放性的非贏利組織1988年由工作站廠商HP，DEC，MIPS，SUN共同發(fā)起，以滿足市場迫切需要的標(biāo)準(zhǔn)化性能測試。已成為最成功的性能測試標(biāo)準(zhǔn)化組織，有40個公司成員。SPEC的信條目標(biāo)：保證市場有一套公平和實(shí)用的指標(biāo)來區(qū)分不同的候選系統(tǒng)。基本方法：提供基于現(xiàn)有應(yīng)用程序的一套標(biāo)準(zhǔn)化源代碼作為基準(zhǔn)測試程序集。35SPECbenchmarks

DesktopBenchmarksCPU-intensivebenchmarksSPEC89SPEC92SPEC95SPEC2000SPECCPU2006(12CINT2006,17CFP2006)

graphics-intensivebenchmarksSPEC2000SPECviewperfisusedforbenchmarkingsystemssupportingtheOpenGLgraphicslibrarySPECapcconsistsofapplicationsthatmakeextensiveuseofgraphics.3637NewSPECInt2000Benchmarks38NewSPECFP2000Benchmarks39ServerBenchmarksSPECSPECrate—processingrateofamultiprocessor

由SPECCPU2000構(gòu)建實(shí)現(xiàn)多個CPU基準(zhǔn)測試程序副本

SPECSFS--fileserverbenchmarkSPECWeb--WebserverbenchmarkTPCbenchmark—TransactionProcessingCouncilTPC-A,1985（工程師創(chuàng)建了獨(dú)立于廠商的事務(wù)處理性能委員會TPC，目前絕大多數(shù)會員都是美、日、西歐計算機(jī)軟硬件的制造商。）TPC-C,1992,TPC-H

TPC-R

TPC-W事務(wù)處理（TP）：數(shù)據(jù)庫訪問與更新。典型TP系統(tǒng)：機(jī)票預(yù)訂系統(tǒng)，銀行ATM系統(tǒng)評測指標(biāo)：每秒鐘處理的事務(wù)數(shù)（吞吐量）。對響應(yīng)時間也有要求。40EmbeddedBenchmarksEDNEmbeddedMicroprocessorBenchmarkConsortium(orEEMBC,pronounced“embassy”).41運(yùn)行基準(zhǔn)測試程序（Benchmarks）關(guān)鍵：可重現(xiàn)性（Reproducibility

）盡量多的細(xì)節(jié)

列出實(shí)驗(yàn)時所有的假定和條件如：programinput,versionoftheprogram,versionofthecompiler,optimizationlevel,OSversion,mainmemorysize,disktypes,etc.系統(tǒng)軟件的配置會有效地影響benchmark的性能結(jié)果。42比較兩個機(jī)器

MachineCPIClockPeriodAvgInstructionTime(secs) MachineA1.22ns 1.2*2=2.4ns MachineB2.51ns2.5nsCPUTime=執(zhí)行指令條數(shù)*avginstructiontimeAssume1,000,000,000instructionsMachineA:1,000,000,000*2.4ns=2.4secondsMachineB:1,000,000,000*2.5ns=2.5seconds哪個機(jī)器更快？MachineA快多少？

2.5/2.4=1.04timesfaster43比較性能

為什么要比較不同機(jī)器或者不同程序的性能？要幫助設(shè)計者知道哪一個更好要給銷售在新聞發(fā)布時一個有力的依據(jù)要幫助消費(fèi)者選擇滿足自己需求的機(jī)器

性能與執(zhí)行時間互為倒數(shù)

最大的性能意味著最小的執(zhí)行時間44常用短語“P1

性能比P2

更好”：對給定工作負(fù)載程序

L，

P1執(zhí)行L的時間比P2更少

performance(P1)>Performance(P2)

ExecutionTime(P1,L)<ExecutionTime(P2,L)“處理器

X比Y快n倍”：45通過多個程序比較機(jī)器性能Ais10timesfasterthanBforprogram1Bis10timesfasterthanAforprogram2Ais20timesfasterthanCforprogram1Cis50timesfasterthanAforprogram2Bis2timesfasterthanCforprogram1Cis5timesfasterthanBforprogram2上述句子都是正確的，但是哪一個機(jī)器是最好的？46一個更簡單的例子兩個機(jī)器執(zhí)行兩個基準(zhǔn)測試程序的時間MachineA比MachineB快多少?方法1:計算執(zhí)行時間比，歸結(jié)為A的倍數(shù)program1:4/2program2:8/12MachineA執(zhí)行program1的時間比B快2倍

執(zhí)行program2的時間比B快2/3倍平均執(zhí)行時間MachineA比B快

(2+2/3)/2=4/3倍“平均”這個東西可能欺騙我們47前例：第2種答案

兩個機(jī)器執(zhí)行兩個基準(zhǔn)測試程序的時間MachineA比MachineB快多少?方法2:計算執(zhí)行時間比，歸結(jié)為B的倍數(shù)program1:2/4program2:12/8MachineA執(zhí)行program1用了1/2的B時間

執(zhí)行program2用了3/2的B時間平均,(1/2+3/2)/2=1這種方法,MachineA與MachineB一樣快48兩個機(jī)器執(zhí)行兩個基準(zhǔn)測試程序的時間MachineA比MachineB快多少?方法3:

累加總的執(zhí)行時間，計算執(zhí)行時間比MachineA執(zhí)行兩個程序花費(fèi)

14sMachineB執(zhí)行兩個程序花費(fèi)12sMachineA與MachineB的執(zhí)行時間比是14/12這種方法，MachineA平均執(zhí)行時間比

B快6/7倍

實(shí)際上MachineA比B慢。前例：第3種答案

49哪一個答案是對的？問題:怎樣得到不同的答案？原因看起來都是合理的計算……但是，每個答案的計算方法是不同因此，要更精確地探討這些性能和度量問題50算術(shù)和調(diào)和平均值

（ArithmeticandHarmonicMean）總的執(zhí)行時間：一個一致的總的度量算術(shù)平均時間：是n個測試程序總的執(zhí)行時間的算術(shù)平均值。如果性能用rate（如MIPS）表示,那么總的執(zhí)行時間平均值就是調(diào)和平均值（harmonicmean）

51算術(shù)平均時間的問題每個應(yīng)用程序運(yùn)行的概率并不相同更長執(zhí)行時間的程序在平均值中的份量更重例如，兩個機(jī)器執(zhí)行兩個基準(zhǔn)測試程序的時間

MachineAMachineBProgram12seconds(20%)4seconds(20%)Program212seconds(80%)8seconds(80%)

（Program2運(yùn)行的概率是Program1的4倍）計算算術(shù)平均值，Program2占的比重比Program1更大顯然，改善Program2對平均值的影響大于Program152加權(quán)執(zhí)行時間通常，機(jī)器運(yùn)行某些程序更頻繁，則應(yīng)該給這些程序更大的權(quán)值（weight）加權(quán)調(diào)和值53使用加權(quán)和

(或加權(quán)平均)計算相對性能：10/7.2=1.38-->MachineBis1.38timesfasterthanMachineA但是，加權(quán)和存在一個重要問題：SPEC不同廠商對應(yīng)用程序權(quán)重的選取有沖突54

SPEC采用比選擇權(quán)值更好的方法，就是選擇一個統(tǒng)一的參考計算機(jī)，給出各測試程序在參考機(jī)上的執(zhí)行時間，再將被測機(jī)器的執(zhí)行時間與之比較來評價不同機(jī)器的性能。

SPEC的評價指標(biāo)有2個：SPEC率（SPECRatio）SM（Specmark）：采用SPEC率的幾何平均值SPEC性能評價55SPEC率（SPECRatio）是測試程序在參考計算機(jī)上的執(zhí)行時間與在被測計算機(jī)上的執(zhí)行時間的比值，可以表示為：

顯然，SPECRatio比值越高，說明被測計算機(jī)的性能越高。

例如，假設(shè)針對同一個基準(zhǔn)測試程序A計算機(jī)的SPECRatio比B計算機(jī)的高出1.3倍，則可表示為：56SM（Specmark）是被測試計算機(jī)執(zhí)行n個基準(zhǔn)測試程序分別得到的SPEC率的幾何平均值。若某被測計算機(jī)的SPEC率有n個數(shù)值，則該計算機(jī)的SPEC率的幾何平均值的計算公式為：

SM為衡量不同計算機(jī)的性能提供了依據(jù)。

但是為了完整的表示出系統(tǒng)的性能特征，通常也將n個基準(zhǔn)程序的SPEC率列出，以分項比較分析。57表1-4Ultra5、Itanium2、Opteron的SPECfp2000執(zhí)行時間和SPECRatio基準(zhǔn)測試程序Ultra5時間（秒）Opteron時間（秒）OpteronSPECRatioItanium2時間（秒）Itanium2SPECRatioItanium/OpteronSPECRatiowupwise160051.531.0656.128.530.92swim3100125.024.7370.743.851.77mgrid180098.018.3765.827.361.49applu210094.022.3450.941.251.85mesa140064.621.67108.012.990.60galgel290086.433.5740.072.472.16art260092.428.1321.0123.674.40equake130072.617.9236.335.782.00facerec190073.625.8086.921.860.85ammp2200136.016.14132.016.631.03lucas200088.822.52107.018.760.83fma3d2100120.017.48131.016.090.92sixtrack1100123.08.9568.815.991.79apsi2600150.017.36231.011.270.65幾何平均值SM20.8627.121.3058第1章計算機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)1.1引言1.2計算機(jī)的分類1.3計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義和計算機(jī)的設(shè)計任務(wù)1.4實(shí)現(xiàn)技術(shù)的趨勢1.5集成電路功耗的趨勢1.6成本的趨勢1.7可靠性1.8測量、報告和總結(jié)計算機(jī)性能1.9計算機(jī)設(shè)計的量化原則1.10綜合：性能和性價比591.9計算機(jī)設(shè)計的量化原則利用并行性（parallelism）局部性原理（PrincipleofLocality）注重經(jīng)常性事件（thecommoncase）Amdahl‘s定律

CPU性能公式60利用并行性改善計算機(jī)性能最重要的方法并行性的層次

系統(tǒng)級:使用多個處理器指令級:流水線、超標(biāo)量、OOO等操作級:并行加法器組相聯(lián)cache功能部件流水線Anyotherexamples?61局部性原理程序特性：趨向于重用最近用過的數(shù)據(jù)和指令經(jīng)驗(yàn)法則：一個程序90%的執(zhí)行時間僅僅執(zhí)行

其10%

的代碼。時間局部性（