體系結(jié)構(gòu)第1章 第3講教材

1、國防科技大學(xué)計算機學(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，時任仙童公司研發(fā)實驗室主任的摩爾（年，時任仙童公司研發(fā)實驗室主任的摩爾（Gordon Mooer）在）在Electronics上撰文上撰文，認為集成電路密度大約每兩年翻一番，認為集成電路密度大約每兩年翻一番o 40年來，摩爾定律不但印證了集成電路技術(shù)的發(fā)年來，摩爾定律不但印證了集成電路技術(shù)的發(fā)展，也印證了計算機技術(shù)的發(fā)展展，也印證了計算機技術(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 計算機體系結(jié)構(gòu)的概念計算機體系結(jié)構(gòu)的概念1.2 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計算機體系結(jié)

2、構(gòu)的發(fā)展1.3 計算機系統(tǒng)設(shè)計和分析計算機系統(tǒng)設(shè)計和分析1.4 小結(jié)小結(jié)1.3計算機系統(tǒng)設(shè)計和分析計算機系統(tǒng)設(shè)計和分析o 1.3.1成本與價格成本與價格o 1.3.2基準測試程序基準測試程序o 1.3.3量化設(shè)計的基本原則量化設(shè)計的基本原則1.3.1成本與價格成本與價格o 商品的標價（價格）由這樣一些因素構(gòu)成商品的標價（價格）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的成本和價格的成本和價格 標價 平均銷售 25% 折扣 價格 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% 裝機部件的成本分布（裝機部件的成本分布（2012.11）型號型號價格（元）價格（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%硬盤硬盤希

4、捷希捷 酷魚酷魚1TB1TB 單碟單碟4604608.6%8.6%顯示器顯示器AOCAOC D2357PHD2357PH1599159929.9%29.9%鼠標鼠標賽睿賽睿 KinzuKinzu v2v21691693.2%3.2%鍵盤鍵盤雷蛇雷蛇 橘倉金蛛橘倉金蛛 工包版工包版1591593.0%3.0%機箱機箱航嘉航嘉 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%總價總價53535353成本成本-時間因素：學(xué)習(xí)曲線時間因素：學(xué)習(xí)曲線o 產(chǎn)品價格隨時間變化的特性，就是價格隨時產(chǎn)品價格隨時間變化的特性，就是價格隨時間下

5、降的趨勢間下降的趨勢1.3.2基準測試程序基準測試程序o 性能與測試程序的執(zhí)行時間相關(guān)，那么用什性能與測試程序的執(zhí)行時間相關(guān)，那么用什么做測試程序呢？么做測試程序呢？o 五類測試程序五類測試程序n 真實程序真實程序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 小測試程序小測試程序n 合成測試程序合成測試程序o 測試程序包測試程序包(組件組件, benchmark suites)n 選擇一組各個方面有代表性的測試程序組成選擇一組各個方面有代表性的測試程序組成n 盡可能全面地測試了一個計算機系統(tǒng)的性能盡可能全面地測試了一個計算機系統(tǒng)的性能 測試程序包：測試程序

6、包：www.SPEC.orgo 基于基于NUIX，誕生于，誕生于20世紀世紀80年代年代o 由真實程序和核心程序構(gòu)成由真實程序和核心程序構(gòu)成o 采用采用C和和Fortran兩種語言，后增加兩種語言，后增加C+o 包括整數(shù)部分包括整數(shù)部分SPECint和浮點部分和浮點部分SPECfpo 主要版本包括主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和和SPEC2006等等n SECP2006功能進一步細化功能進一步細化o 臺式計測試：臺式計測試：SPEC CPU2000o 圖像測試：圖像測試：SPECviewperf, SPECapco NFS性能測試：性能測試：SPECSF

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

8、程序，構(gòu)成TPC測試程序組件測試程序組件 o 嵌入式處理器嵌入式處理器n EEMBC: EDN 嵌入式微處理器測試程序聯(lián)嵌入式微處理器測試程序聯(lián)盟發(fā)布的測試程序包盟發(fā)布的測試程序包1.3.3量化設(shè)計的基本原則量化設(shè)計的基本原則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 可以定量計算可以定量計算3程序的局部性原理程序的局部性原理n 程序執(zhí)行時所訪問存儲器在時程序執(zhí)行時所訪問存儲器在時-空上是相對地空上是相對地簇聚簇聚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 對于大概率事件對于大概率事件(最常見的事件最常見的事件)，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，同時要說明要能夠確定什么是大概率事件，同時要說明針對該事件進行的改進將如何提高機器的性針對該事件進行的改進將如何提高機器的性能能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)我們對機器（部件）進行某種改進，那假設(shè)我們對機器（部件）進行某種改進，那么機器系統(tǒng)（部件）的加速比就是么機器系

10、統(tǒng)（部件）的加速比就是o 核心概念：時間核心概念：時間o 系統(tǒng)加速比告訴我們改進后的機器比改進前系統(tǒng)加速比告訴我們改進后的機器比改進前快多少快多少 改進后改進后改進前改進前改進前改進前改進后改進后總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間系統(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)加速比依賴于兩個因素系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素n “可改進比例可改進比例”：可改進部分在原系統(tǒng)計算時：可改進部分在原系統(tǒng)計算時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”可改進部分改進以后的性能提可改進部分改進以后的性能

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)行時間的系統(tǒng)執(zhí)行時間o 部件改進后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時間等于不可改部件改進后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時間等于不可改進部分的執(zhí)行時間加上可改進部分改進后的進部分的執(zhí)行時間加上可改進部分改進后的執(zhí)行時間，即：執(zhí)行時間，即：o總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間改進后改進后=（1-可改進比例）可改進比例） 總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間改進前改進前+ = 總執(zhí)行時間總執(zhí)行時間改進前改進前 （1-可改進比例）可改進比例）+ 部件加速比總執(zhí)行時間可改進比例改進前部件加速比可改進比例Amdahl的系統(tǒng)加速比的系統(tǒng)加速比o 系統(tǒng)加速比為改進前與改

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

13、“好好”的計算機系的計算機系統(tǒng)統(tǒng)n 具有高性能價格比的計算機系統(tǒng)是一個具有高性能價格比的計算機系統(tǒng)是一個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進比比例例11Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)例例1：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，浮點操作：假設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，浮點操作時間占整個執(zhí)行時間的時間占整個執(zhí)行時間的10%，現(xiàn)希望對浮，現(xiàn)希望對浮點操作加速。點操作加速。n 設(shè)對浮點操作的加速比為設(shè)對浮點操作的加速比為Sf，請推導(dǎo)出程序總，請推導(dǎo)出程序總的加速比的加速比S和和Sf 之間的關(guān)系表達式；之間的關(guān)系表達式；n 請問程序的最大加速比可達多少

14、？請問程序的最大加速比可達多少？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)系表達式為：的關(guān)系表達式為：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： 求平方根和浮點乘是圖形應(yīng)用中常用的求平方根和浮點乘是圖形應(yīng)用中常用的轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機器的一轉(zhuǎn)換，假設(shè)求平方根操作在某機器的一個基準程序中占總執(zhí)行時間的個基準程序中占總執(zhí)行時間的20%，浮點乘操作在該程序中占總執(zhí)行時間浮點乘操作在該程序中占總執(zhí)行

15、時間30%，現(xiàn)通過兩種方法加速兩操作，現(xiàn)通過兩種方法加速兩操作增加專門的硬件處理求平方根，使其執(zhí)增加專門的硬件處理求平方根，使其執(zhí)行速度為原來的行速度為原來的10倍倍通過調(diào)整流水線把浮點乘速度提高為原通過調(diào)整流水線把浮點乘速度提高為原來的來的1.6倍倍問：問：采用兩種方法增強后此基準程序加速比采用兩種方法增強后此基準程序加速比是多少？是多少？Amdahl定律練習(xí)定律練習(xí)30%20%加速比加速比= = 增強前時間增強前時間/ /增強后時間增強后時間 =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 程序訪問地址的分布不是隨機的，而是相對程序訪問地址的