第1章-2-计算机设计基本原理-计算机系统结构

1、1.1 引言引言1.2 计算机的分类计算机的分类1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务计算机系统结构定义和计算机的设计任务1.4 实现技术的趋势实现技术的趋势1.5 集成电路功耗的趋势集成电路功耗的趋势1.6 成本的趋势成本的趋势1.7 可靠性可靠性1.8 测量、报告和总结计算机性能测量、报告和总结计算机性能1.9 计算机设计的量化原则计算机设计的量化原则1.10 综合：性能和性价比综合：性能和性价比nTime-元器件价格随着时间而下降（实现技术没有实质元器件价格随着时间而下降（实现技术没有实质性改进）。因为随着时间推移性改进）。因为随着时间推移产出率产出率不断增高。不断增高。nVolu

2、me （产量）（产量）-提高意味着制造效率提高提高意味着制造效率提高nCommodification（商品）（商品）-元器件供应商之间的竞争会降元器件供应商之间的竞争会降低成本低成本芯片成本趋势$0$10$20$30$40$50$60$70$8019781979198019811982198319841985198619871988198919901991199219931994199516Kb64Kb256Kb1Mb4Mb16Mb成本与价格成本与价格n器件成本（器件成本（）n直接成本（直接成本（）：）：直接影响产品的成本.n人力成本, 废料 (the leftover from yield)

3、, 和保修期内的保修费等n直接成本在器件成本上增加20%40%.n毛利润（毛利润（间接成本）间接成本）n企业一般管理费直接分摊到一个产品中.n研发(R&D)，制造设备，市场销售 ，维护, 租场地, 经济成本, 税收等.n研发费用一般占收入的4%12%1.1 引言引言1.2 计算机的分类计算机的分类1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务计算机系统结构定义和计算机的设计任务1.4 实现技术的趋势实现技术的趋势1.5 集成电路功耗的趋势集成电路功耗的趋势1.6 成本的趋势成本的趋势1.7 可靠性可靠性1.8 测量、报告和总结计算机性能测量、报告和总结计算机性能1.9 计算机设计的量化原则计算机

4、设计的量化原则1.10 综合：性能和性价比综合：性能和性价比n模块可靠性：模块可靠性：从模块可用到出现故障的持续服务度量从模块可用到出现故障的持续服务度量nMTTF（mean time to failure）: 平均故障时间平均故障时间nMTTR（mean time to repair）: 平均修复时间平均修复时间nFIT （故障率）：（故障率）：1/MTTFnMTBF: 平均无故障时间平均无故障时间= MTTF+MTTRn模块可用性模块可用性n MTTF = MTTF MTTF + MTTR MTBFn冗余（冗余（Redundancy）:n时间冗余时间冗余: 重复操作直到无错重复操作直到无错

5、n资源冗余资源冗余: 配置另外的相同部件，有错时用于替代配置另外的相同部件，有错时用于替代出错部件出错部件1.1 引言引言1.2 计算机的分类计算机的分类1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务计算机系统结构定义和计算机的设计任务1.4 实现技术的趋势实现技术的趋势1.5 集成电路功耗的趋势集成电路功耗的趋势1.6 成本的趋势成本的趋势1.7 可靠性可靠性1.8 测量、报告和总结计算机性能测量、报告和总结计算机性能1.9 计算机设计的量化原则计算机设计的量化原则1.10 综合：性能和性价比综合：性能和性价比n 不同类型的基准测试程序（不同类型的基准测试程序（benchmarks）对一大套应

6、用程序中的操作和操作数的执行频率进对一大套应用程序中的操作和操作数的执行频率进行统计，得到平均执行频率，再按这个频率编制的行统计，得到平均执行频率，再按这个频率编制的模拟测试程序。模拟测试程序。n TPC benchmarkTransaction Processing Counciln TPC-A, 1985（工程师创建了独立于厂商的事务处理性能委员会工程师创建了独立于厂商的事务处理性能委员会TPC，目前绝大多数会员都是美、日、西欧计算机软硬件的制造商。目前绝大多数会员都是美、日、西欧计算机软硬件的制造商。 ）n TPC-C, 1992,n TPC-H TPC-RTPC-W事务处理（事务处理（

7、TP）：数据库访问与更新。）：数据库访问与更新。ASPECRatioA参考计算机的执行时间机的执行时间 1.3ABSPECRatioASPECRatioAB参考计算机的执行时间B机的执行时间A机的性能机的执行时间参考计算机的执行时间机的执行时间机的性能B机的执行时间1nniiSMSPECRatio基准基准测试程序测试程序Ultra 5时间（秒）时间（秒）Opteron时间（秒）时间（秒）OpteronSPECRatioItanium 2时间（秒）时间（秒）Itanium 2SPECRatioItanium / OpteronSPECRatiowupwisewupwise1600160051.5

8、51.531.0631.0656.156.128.5328.530.920.92swimswim31003100125.0125.024.7324.7370.770.743.8543.851.771.77mgridmgrid1800180098.098.018.3718.3765.865.827.3627.361.491.49appluapplu2100210094.094.022.3422.3450.950.941.2541.251.851.85mesamesa1400140064.664.621.6721.67108.0108.012.9912.990.600.60galgelgalgel

9、2900290086.486.433.5733.5740.040.072.4772.472.162.16artart2600260092.492.428.1328.1321.021.0123.67123.674.404.40equakeequake1300130072.672.617.9217.9236.336.335.7835.782.002.00facerecfacerec1900190073.673.625.8025.8086.986.921.8621.860.850.85ammpammp22002200136.0136.016.1416.14132.0132.016.6316.631.

10、031.03lucaslucas2000200088.888.822.5222.52107.0107.018.7618.760.830.83fma3dfma3d21002100120.0120.017.4817.48131.0131.016.0916.090.920.92sixtracksixtrack11001100123.0123.08.958.9568.868.815.9915.991.791.79apsiapsi26002600150.0150.017.3617.36231.0231.011.2711.270.650.65几何平均几何平均值值SMSM20.8620.8627.1227.

11、121.301.301.1 引言引言1.2 计算机的分类计算机的分类1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务计算机系统结构定义和计算机的设计任务1.4 实现技术的趋势实现技术的趋势1.5 集成电路功耗的趋势集成电路功耗的趋势1.6 成本的趋势成本的趋势1.7 可靠性可靠性1.8 测量、报告和总结计算机性能测量、报告和总结计算机性能1.9 计算机设计的量化原则计算机设计的量化原则1.10 综合：性能和性价比综合：性能和性价比间不可改进部分的执行时 改进量（改进加速比）改进部分的执行时间 改进后的执行时间=采用改进措施后计算机的性能加速比没有采用改进措施时计算机的性能=没有采用改进措施时某任务

12、的执行时间采用改进措施后某任务的执行时间可改进部分的执行时间改进前整个任务的执行时间可改进部分的执行时间改进前整个任务的执行时间可改进部分的执行时间改进前整个任务的执行时间改进前改进部分的执行时间改进后改进部分的执行时间01eneeFTTFS011nneeeTSTFF S11neSFeS 都可以提高都可以提高Sn 111.56(0.6)0.4/100.64nS 111.23(1 0.5)0.5/1.60.8125FPSSFPSRQ11 S1.22(1 0.2)0.2/100.82rate ClockCPIcount nInstructiotime CPUcycleClock SecondsnI

13、nstructio cyclesClock ProgramnsInstructio timeCPUComponent of performanceUnits of measureCPU execution time for a programSeconds for the programInstruction countInstructions executed for the programClock cycles per instructions (CPI)Average number of clock cycles/instructionClock cycle timeSeconds p

14、er clock cycleniii=1=ICPUCPI的时钟周期数niii=1=ICPUCPI时间时钟周期niini=1iii=1(I)ICPICPICPIICICiCPIiIiCPIiIniii=1I(25% 4)(75% 1.33)2.0originalCPICPIIC2%()2.02%(202)1.64withnewFPSRQoriginaloldFPSRQofnewFPSRQonlyCPICPICPICPIoriginalCPIoriginalCPIwithnewFPSRQCPI(25%2.5)(75% 1.33)1.6225newFPCPI2.01.231.6225originalnewFPoriginalnewFPnewFPoriginalnewFPCPUICCPISCPUICCPI