計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2012年春)-基本概念CPI阿姆達(dá)爾定律

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2012年春）-基本概念：CPI/阿姆達(dá)爾定律山東大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 戴鴻君 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)專(zhuān)題CPI阿姆達(dá)爾定律Li-p11至Li-p132022/9/CPU的性能將程序執(zhí)行的時(shí)間進(jìn)行分解計(jì)算機(jī)工作的時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與實(shí)現(xiàn)技術(shù)和工藝有關(guān)的因素。單位是MHz(f)。 總時(shí)鐘周期數(shù) 程序執(zhí)行的cpu時(shí)間 :CPU時(shí)間 = 總時(shí)鐘周期數(shù) / 時(shí)鐘頻率2022/9/CPI指令時(shí)鐘數(shù) (Cycles Per Instruction)一個(gè)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)CPI = 總時(shí)鐘周期數(shù) / ICIC：程序執(zhí)行過(guò)程中所處理的指令數(shù)?？侰PU時(shí)間 = CPI IC / 時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率：反映了

2、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝和計(jì)算機(jī)組織。CPI：反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織。IC：反映了計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。2022/9/CPU時(shí)間CPI = 總時(shí)鐘周期數(shù) /指令數(shù)總CPU時(shí)間 = CPI 指令數(shù)/ 時(shí)鐘頻率總CPU時(shí)間 = (CPIi Ii) / 時(shí)鐘頻率Ii ：在程序中第i種指令出現(xiàn)的次數(shù)CPI = (CPIi Ii) /指令數(shù)2022/9/5定量指標(biāo)反映程序的運(yùn)行速度MIPS(Million Instructions Per Second,每秒百萬(wàn)條指令數(shù))MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Sec

3、ond,每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定量設(shè)計(jì)原理三條基本原則和方法哈夫曼（Huffman）壓縮定理對(duì)于大概率事件（最常見(jiàn)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。這是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中最重要也最廣泛采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。使經(jīng)常性事件的處理速度加快能明顯提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于可使用這種較快執(zhí)行方式的時(shí)間所占的比例。Amdahl定律加速比系統(tǒng)加速比= =系統(tǒng)加速比依賴(lài)于兩個(gè)因素： 可改進(jìn)比例fnew：可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間中所占的比例，它總是小于等于的。例如: 一個(gè)需運(yùn)行60秒的程序中有20秒的運(yùn)算可以加速，那么該比例就

4、是20/60。Amdahl定律部件加速比new：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 。例如: 系統(tǒng)改進(jìn)后執(zhí)行程序，其中可改進(jìn)部分花費(fèi)2秒的時(shí)間，而改進(jìn)前該部分需花費(fèi)5秒，則性能提高為5/2。 總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后 = 不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間 + 可改進(jìn)部分改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間Amdahl定律總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后=(1-可改進(jìn)比例fnew)總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前+ = (1-可改進(jìn)比例fnew) + 總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前 Amdahl定律系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比:系統(tǒng)加速比Sp = = Amdahl定律2022/9/Amdahl定律Amdahl定律：性能遞減規(guī)則如果僅僅對(duì)計(jì)算機(jī)中的一部分

5、做性能改進(jìn)，則改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。 推論：如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，那么所獲得的加速比不大于1/(1-fnew)。一個(gè)“好”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有高性價(jià)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 。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定量設(shè)計(jì)原理三條基本原則和方法程序的局部性原理程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序的時(shí)間局部性：程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性：程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。存儲(chǔ)器體系的構(gòu)成就是以訪問(wèn)的局部性原理為基礎(chǔ)的問(wèn)題假設(shè)我們考慮條件分支指

6、令的兩種不同設(shè)計(jì)方法如下：(1) CPU1：通過(guò)比較指令設(shè)置條件碼，然后測(cè)試條件碼進(jìn)行分支；(2)CPU2：在分支指令中包括比較過(guò)程。在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期而所有其它指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于CPU1，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每個(gè)分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占20%。由于CPU1在分支時(shí)不需要比較，因此假設(shè)它的時(shí)鐘周期時(shí)間比CPU2快1.25倍。哪一個(gè)CPU更快？如果CPU1的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPU2快1.1倍，哪一個(gè)CPU更快呢？ 問(wèn)題用一臺(tái)40MHZ處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下：求有效CPI、MIPS

7、速率和程序的執(zhí)行時(shí)間。指令類(lèi)型指令數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)150002控制傳送80002問(wèn)題如果FP操作的比例為25%，F(xiàn)P操作的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI為1.33；FPSQR操作的比例為2%， FPSQR的CPI為20。FPSQL操作屬于FP操作的一部分。假設(shè)有兩種設(shè)計(jì)方案，分別把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI減為2。試?yán)肅PU性能公式比較這兩種設(shè)計(jì)方案哪一個(gè)更好(只改變CPI而時(shí)鐘頻率和指令條數(shù)保持不變)。問(wèn)題假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍,但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%，采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)

8、的性能提高多少？問(wèn)題2005年11月考試題目在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，某一功能的處理時(shí)間為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的50%，若使該功能的處理速度加快10倍，根據(jù)Amdahl定律，這樣做可以使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高_(dá)(43)_倍。若要使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高1.5倍，則該功能的處理速度應(yīng)加快_(44)_倍。（43）A. 1.6 B. 1.7 C. 1.8 D. 1.9（44）A. 3 B. 5 C. 7 D. 8問(wèn)題如果某一計(jì)算任務(wù)用向量方式求解比用標(biāo)量方式求解要快20倍，稱(chēng)可用標(biāo)量方式求解部分所花費(fèi)時(shí)間占總的時(shí)間的百分比為可向量化百分比請(qǐng)畫(huà)出加速比與可向量化比例兩者之間關(guān)系的曲線為獲得采用向量方式最大加速比的半值（即1

9、0）時(shí)，所需可向量化的百分比為多少？某程序可向量化部分70%。向量處理速度加倍（即40）和向量工作方式的百分比增大多少使性能得到同樣提高？問(wèn)題某臺(tái)計(jì)算機(jī)只有Load/Store 指令能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，其它指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如下：指令類(lèi)型 指令所占比例 CPI 算邏指令 43 1 Load指令 21 2 Store指令 12 2 轉(zhuǎn)移指令 24 2 (1) 求上述情況下的平均CPI。(2) 假設(shè)程序有M條指令組成。算邏運(yùn)算中25%的指令的兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)已在寄存器中，另一個(gè)必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指令從存儲(chǔ)器取到寄存器。

10、因此有人建議增加另一種算邏指令，其特點(diǎn)是一個(gè)操作數(shù)取自寄存器，另一個(gè)操作數(shù)取自存儲(chǔ)器，即寄存器存儲(chǔ)器類(lèi)型，假設(shè)這種指令的CPI等于2。同時(shí)，轉(zhuǎn)移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。問(wèn)題假設(shè)在一臺(tái)40MHZ處理機(jī)上運(yùn)行200,000條指令的目標(biāo)代碼，程序主要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：指令類(lèi)型 CPI 指令混合比算術(shù)和邏輯 1 60%高速緩存命中的加載/存儲(chǔ) 2 18%轉(zhuǎn)移 4 12%高速存儲(chǔ)缺失的存儲(chǔ)器訪問(wèn) 8 10% (a)計(jì)算在單處理機(jī)上用上述跟蹤數(shù)據(jù)運(yùn)行程序的平均CPI。(b)根據(jù)(a)所得的CPI,計(jì)算相應(yīng)的MIPS速率。(

11、c)求20000條代碼的運(yùn)行時(shí)間。 采用哪種實(shí)現(xiàn)技術(shù)來(lái)求浮點(diǎn)數(shù)平方根的操作對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大。一種實(shí)現(xiàn)方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍,假設(shè)FPSQR操作占整個(gè)測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的20%。另一種實(shí)現(xiàn)方法是使所有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，還假設(shè)FP指令占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的50%。請(qǐng)比較這兩種設(shè)計(jì)方案。問(wèn)題2022/9/開(kāi)放式問(wèn)答題搜索目前最新的一款PC上使用的CPU的性能參數(shù)，以體系結(jié)構(gòu)的視角進(jìn)行描述從摩爾定律、阿姆達(dá)定律出發(fā)，討論此款CPU相對(duì)于以往CPU性能提升的原因。2022/9/吉納阿姆達(dá)爾IBM的“敵人”，IT界定創(chuàng)業(yè)者1952年,IBM 704引入了變址技術(shù)和浮點(diǎn)數(shù)1955年底,辭職1960年9月他重返IBM公司，在360系列機(jī)的開(kāi)發(fā)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，“兼容”1970年，離職創(chuàng)辦阿姆達(dá)公司，“插接式兼容”1980年，他創(chuàng)辦了Trilogy公司1988年創(chuàng)辦Andor公司2022/9/ 美文欣賞幸福語(yǔ)錄 遭遇苦難的時(shí)候，別急著為自己抱不平。有的禮物，常以遭難的面容現(xiàn)身。 威脅看似好用，但以力服人，都只是一是有效。 記憶有美化的