體系結(jié)構(gòu)第1章 第3講

國(guó)家精品課程：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第一章基本概念國(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1965年，時(shí)任仙童公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾（GordonMooer）在《Electronics》上撰文，認(rèn)為集成電路密度大約每?jī)赡攴环?0年來，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)展第一章基本概念本章主要內(nèi)容：1.1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1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析1.4小結(jié)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析1.3.1成本與價(jià)格1.3.2基準(zhǔn)測(cè)試程序1.3.3量化設(shè)計(jì)的基本原則1.3.1成本與價(jià)格商品的標(biāo)價(jià)（價(jià)格）由這樣一些因素構(gòu)成原料成本、直接成本、毛利和折扣PC的成本和價(jià)格裝機(jī)部件的成本分布（2012.11）

型號(hào)價(jià)格（元）比例處理器AMD

Athlon

II

X4

7404809.0%主板映泰

Hi-Fi-A85W59911.2%顯卡華碩

HD7850-DC-1GD5129924.3%內(nèi)存威剛?cè)f紫千紅8GB

DDR3

16002103.9%硬盤希捷

酷魚1TB

單碟4608.6%顯示器AOC

D2357PH159929.9%鼠標(biāo)賽睿

Kinzu

v21693.2%鍵盤雷蛇

橘倉金蛛

工包版1593.0%機(jī)箱航嘉

暗夜奇兵1492.8%電源安鈦克

VP

350P2294.3%總價(jià)

5353

成本-時(shí)間因素：學(xué)習(xí)曲線產(chǎn)品價(jià)格隨時(shí)間變化的特性，就是價(jià)格隨時(shí)間下降的趨勢(shì)1.3.2基準(zhǔn)測(cè)試程序性能與測(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？五類測(cè)試程序真實(shí)程序修正的（或者腳本化）應(yīng)用程序核心程序小測(cè)試程序合成測(cè)試程序測(cè)試程序包(組件,benchmarksuites)選擇一組各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序組成盡可能全面地測(cè)試了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能測(cè)試程序包：www.SPEC.org基于NUIX，誕生于20世紀(jì)80年代由真實(shí)程序和核心程序構(gòu)成采用C和Fortran兩種語言，后增加C++包括整數(shù)部分SPECint和浮點(diǎn)部分SPECfp主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和SPEC2006等SECP2006功能進(jìn)一步細(xì)化臺(tái)式計(jì)測(cè)試：SPECCPU2000圖像測(cè)試：SPECviewperf,SPECapcNFS性能測(cè)試：SPECSFSWeb服務(wù)測(cè)試：SPECWebSPECCPU2006SPEC2006有12個(gè)整數(shù)程序9個(gè)C程序其它是C++程序浮點(diǎn)包中有6個(gè)Fortran4個(gè)C++3個(gè)C4個(gè)C和Fortran混合程序其它測(cè)試包TPC-x測(cè)量事務(wù)處理、排隊(duì)系統(tǒng)、決策支持、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等的性能1985年發(fā)布第一個(gè)TPC測(cè)試程序TPC-A，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)試程序，構(gòu)成TPC測(cè)試程序組件嵌入式處理器EEMBC:EDN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1.3.3量化設(shè)計(jì)的基本原則1．大概率事件優(yōu)先原則追求全局的最優(yōu)結(jié)果2．Amdahl定律系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性可以定量計(jì)算3．程序的局部性原理程序執(zhí)行時(shí)所訪問存儲(chǔ)器在時(shí)-空上是相對(duì)地簇聚這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分大概率事件優(yōu)先的原則對(duì)于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(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)果要能夠確定什么是大概率事件，同時(shí)要說明針對(duì)該事件進(jìn)行的改進(jìn)將如何提高機(jī)器的性能“好鋼用在刀刃上”，事半功倍Amdahl定律假設(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）的加速比就是核心概念：時(shí)間系統(tǒng)加速比告訴我們改進(jìn)后的機(jī)器比改進(jìn)前快多少Amdahl定律系統(tǒng)加速比依賴于兩個(gè)因素“可改進(jìn)比例”：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例，它總是小于等于1的T0/T1“部件加速比”可改進(jìn)部分改進(jìn)以后的性能提高，一般情況下它是大于1的T1/T2ToT1T2TeAmdahl的系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間部件改進(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)后的執(zhí)行時(shí)間，即：總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后=（1-可改進(jìn)比例）

總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前+=總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前

[（1-可改進(jìn)比例）+]Amdahl的系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比，為： 系統(tǒng)加速比 = =Amdahl定律的觀點(diǎn)性能增加的遞減規(guī)則僅僅對(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Amdahl定律的一個(gè)重要推論針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，則最大加速比不大于Amdahl定律衡量一個(gè)“好”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有高性能價(jià)格比的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)帶寬平衡的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能Amdahl定律練習(xí)例1：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，浮點(diǎn)操作時(shí)間占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的10%，現(xiàn)希望對(duì)浮點(diǎn)操作加速。設(shè)對(duì)浮點(diǎn)操作的加速比為Sf，請(qǐng)推導(dǎo)出程序總的加速比S和Sf之間的關(guān)系表達(dá)式；請(qǐng)問程序的最大加速比可達(dá)多少？Amdahl定律練習(xí)fS與Sf的關(guān)系表達(dá)式為：Amdahl定律練習(xí)f程序的最大加速比Smax為：Amdahl定律練習(xí)例2： 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30%，現(xiàn)通過兩種方法加速兩操作① 增加專門的硬件處理求平方根，使其執(zhí)行速度為原來的10倍② 通過調(diào)整流水線把浮點(diǎn)乘速度提高為原來的1.6倍問： 采用兩種方法增強(qiáng)后此基準(zhǔn)程序加速比是多少？Amdahl定律練習(xí)30%20%加速比=增強(qiáng)前時(shí)間/增強(qiáng)后時(shí)間

=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6)=1/0.7075=1.