计算机体系结构1

1、u第第 1 1 周周 第第 1 1 节课节课u授课教师：授课教师： 陈天洲陈天洲陈天洲陈天洲 TAu计算机体系结构计算机体系结构 石教英石教英 浙江大学出版社浙江大学出版社uComputer Architecture -A Quantitative Approach u参考书参考书 计算机系统结构计算机系统结构 郑纬民郑纬民 汤志忠汤志忠 清华大学出版社清华大学出版社 u强调性能价格比强调性能价格比u定量的设计分析方法定量的设计分析方法u主要介绍主要介绍RISC设计思想设计思想和技术和技术u强调编译技术对系统结构的影响强调编译技术对系统结构的影响u第一章第一章 计算机设计基础计算机设计基础u第

2、二章第二章 指令系统设计指令系统设计u第三章第三章 CPU设计设计u第四章第四章流水线技术流水线技术 u第五章第五章存储器层次结构存储器层次结构u第六章第六章输入输出系统输入输出系统u第七章第七章 网络并行计算机系统网络并行计算机系统u第八章第八章 多处理机系统多处理机系统u1.1 计算机系统结构设计的重要性计算机系统结构设计的重要性u1.2 计算机设计的任务计算机设计的任务u1.3 实现技术及计算机应用的发展趋势实现技术及计算机应用的发展趋势u1.4 计算机定量设计原则计算机定量设计原则u1.5 性能测量与分析报告性能测量与分析报告u1.6 计算机的价格构成及发展趋势计算机的价格构成及发展趋

3、势1 1 1946 1954 电子管、继电器 PC 和累加器驱动 CPU, 定点运算 2 2 1954 1965 晶体管、磁性存储器 浮点运算,I/O 处理机, 多路存储器存取 3 3 1965 1974 SSI/MSI 微程序设计,流水线, Cache 4 4 1974 1990 VSI/VLSI,半导体存储器 多处理机,向量超级 计算机 5 5 1991 ULSI/VHSIC,高密度封装技术 大规模并行计算,可扩展系统结构 前前25年：年： 制造计算机的技术制造计算机的技术(器件技术器件技术) 计算机设计技术计算机设计技术(系统结构系统结构)70年代年代 小型机和大型机占优势小型机和大型机

4、占优势70年代末年代末 微处理器发展迅速微处理器发展迅速(快速利用快速利用IC成果成果)软件变化软件变化 汇编程序设计几乎不用了汇编程序设计几乎不用了 标准标准OS出现出现 系统结构对计算机发展的作用日益增大系统结构对计算机发展的作用日益增大u强调系统结构的革新强调系统结构的革新u充分有效地利用技术进步充分有效地利用技术进步(器件）器件）u 确定用户的目标确定用户的目标(需求功能需求功能, 价格价格, 性能性能)u 确定计算机的属性确定计算机的属性(计算机系统结构计算机系统结构)u指令集设计指令集设计(程序员可见的指令集程序员可见的指令集, 软硬件界面软硬件界面)u组成设计组成设计(存储系统存

5、储系统,总线结构总线结构,CPU内部设计内部设计)u硬件设计硬件设计(详细逻辑设计详细逻辑设计, IC设计设计,封装封装 ,电源电源 ,冷却冷却)u设计优化设计优化u在一定价格限度下追求性能最优在一定价格限度下追求性能最优(性能性能/价格比价格比)u可靠性可靠性, 容错性容错性(事务处理事务处理)u编译和编译和OS优化优化u实现技术及机器应用的发展趋势（性能价格）实现技术及机器应用的发展趋势（性能价格）u应用领域应用领域u 特殊目的特殊目的 科学计算科学计算u通用目的商业应用通用目的商业应用u软件兼容级别软件兼容级别u高层语言兼容高层语言兼容u目标码或二进制兼容目标码或二进制兼容u操作系统需求

6、操作系统需求u地址空间大小地址空间大小u存储系统管理存储系统管理u标准标准一一. . 计算机应用的发展趋势计算机应用的发展趋势* 程序及数据所需的存储容量日益增加程序及数据所需的存储容量日益增加1.52倍倍/年年 地址位数地址位数: 0.51bit/年年* 高级语言取代汇编语言高级语言取代汇编语言编译器成为用户和机器的界面编译器成为用户和机器的界面,作用日趋重要作用日趋重要完成新的功能完成新的功能提高程序运行效率提高程序运行效率FIC逻辑技术逻辑技术晶体管密度晶体管密度 50% /年年 约约 4倍倍/3年年F半导体半导体DRAM密度密度 60% /年年 约约 4倍倍/3年年 访问周期访问周期

7、1/3 每每 10年年F磁盘技术磁盘技术密度密度 50% /年年 约约 4倍倍/3年年访问周期访问周期 1/3 每每 10年年F成本下降速度成本下降速度 = 密度提高速度密度提高速度二二 . 实现技术的三大发展趋势实现技术的三大发展趋势 离散性离散性设计时应采用机器投放市场时的技术设计时应采用机器投放市场时的技术,这样的产品才会有价格性能优势这样的产品才会有价格性能优势一一. .高频事件高速处理高频事件高速处理( (Make The Common Case Fast)* 提高高频事件的执行速度提高高频事件的执行速度,有助于提高整体性能有助于提高整体性能* 高频事件往往是简单事件高频事件往往是简

8、单事件,更易于提高速度更易于提高速度 例例1. 常用指令用硬件实现常用指令用硬件实现 , 复杂杂指令用软件实现复杂杂指令用软件实现例例2. 优先考虑不溢出的情况优先考虑不溢出的情况 高频事件尽量高速高频事件尽量高速 低频事件保证正确低频事件保证正确 ? ?(1)Speedup采用先进部件后计算机的性能采用先进部件前计算机的性能采用先进部件前计算机完成一个任务的时间采用先进部件后计算机完成同个任务的时间例例 春游春游交通工具交通工具步行步行自行车自行车跑车跑车出租车出租车赛车赛车速度速度(km/h)4102050200相对相对加速比加速比12.5512.550后段后段用时用时(h)5210.40

9、.1全程全程用时用时(h)6321.41.1全程加全程加速比速比(h)1234.35.45= 6浙大本部 灵隐 浙大本部翻山步行 1小时经少年宫 20公里 若已知以下两个条件若已知以下两个条件:(1) F -任务在可改进部件上的任务在可改进部件上的执行时间执行时间 在总执行时间在总执行时间 中的百分比中的百分比(2) S -改进后部件性能提高的倍数改进后部件性能提高的倍数 (部件性能加速比部件性能加速比)改进前改进前则：（）（）（）newoldoldoldoldnew1. 系统整体性能的提高有一极限值 Speedup =11-F 2. 指明了设计原则指明了设计原则: 按各部分所占的时间比例来分

10、配资源按各部分所占的时间比例来分配资源3. 指出了两种改进设计提高性能的方法指出了两种改进设计提高性能的方法: * 优先考虑高频事件优先考虑高频事件, 使之尽量快速实现使之尽量快速实现* 减小减小(1-F), 进一步提高高频事件的使用频度进一步提高高频事件的使用频度4. 给出了定量比较不同设计方案的方法给出了定量比较不同设计方案的方法 Amdahl 定律的作用定律的作用课后习题课后习题1.2例例1 软硬件实现的选择软硬件实现的选择已知某商用计算机拟增加字符串操作功能已知某商用计算机拟增加字符串操作功能 . 若用软件实现若用软件实现, 与无字符与无字符串操作相比串操作相比,速度提高速度提高4倍倍

11、, CPU成本提高成本提高1/5倍倍;若用硬件实现若用硬件实现, 则速度则速度是原来的是原来的100倍倍,CPU成本是原来的成本是原来的5倍倍. 由实验测得由实验测得, 字符串操作占总字符串操作占总运行时间的运行时间的50%. CPU成本约占整机成本的成本约占整机成本的1/3.你选用哪种设计方案你选用哪种设计方案?软件方法软件方法S= 1(1-50%)+50% 5 =1.66C=2/3 + 1/3* (1+1/5) =1.07C/S = 1.07/1.66 = 0.64硬件方法硬件方法S= 1(1-50%)+50%100 =1.98C=2/3 + 1/3* 5 =2.33C/S = 1.07/

12、1.66 = 1.18已知某一基准测试程序中已知某一基准测试程序中FPSQRT操作占操作占20%的运行时间的运行时间. 一种实一种实现方法是引入现方法是引入FPSQRT硬件硬件, 它能使运算速度提高它能使运算速度提高9倍倍; 另一种方法另一种方法是把所有浮点操作的速度提高到原来的是把所有浮点操作的速度提高到原来的2倍倍. 已知运行时间的已知运行时间的50%是在执行浮点操作是在执行浮点操作, 问哪种方法更好问哪种方法更好. 1 Speedup FPSQRT = = 1.22 (10.2) + 0.2 / 10 1 Speedup FP = = 1.33 (10.5) + 0.5 / 2 ?CPU

13、time = 程序执行所用的程序执行所用的CPU时钟周期数时钟周期数* 时钟周期时钟周期(CC)= 程序执行所用的程序执行所用的CPU时钟周期数时钟周期数 / 时钟频率时钟频率(CR) (1) 若已知程序动态执行的指令条数若已知程序动态执行的指令条数(IC), 则可得则可得: 程序执行所用的程序执行所用的CPU时钟周期数时钟周期数平均指令执行时钟周期数平均指令执行时钟周期数(CPI) = 程序动态执行的指令总条数程序动态执行的指令总条数 由此可得公式的另一种表示方式由此可得公式的另一种表示方式:CPUtime = IC * CPI * CC (2)= IC * CPI / CR1. CPU性能

14、依赖于三个参量性能依赖于三个参量: IC, CPI, CC;2. 说明改进说明改进CPU性能的三种途径性能的三种途径. 尽管同时缩小三个参数是不可能的尽管同时缩小三个参数是不可能的,而且改变其而且改变其中的一个都可能因此影响其他两个参量中的一个都可能因此影响其他两个参量,但改变这三但改变这三个参数的技术途径是独立的个参数的技术途径是独立的: CC -硬件和组成技术硬件和组成技术 CPI-组成和指令集系统结构组成和指令集系统结构 IC -指令集系统结构和编译技术指令集系统结构和编译技术 若已知每种指令执行所需的时钟周期数若已知每种指令执行所需的时钟周期数(CPI i),和每种和每种指令的动态执行

15、次数指令的动态执行次数(IC i),则可得则可得CPUtime的第三种表示的第三种表示形式形式: n CPUtime = ( CPIi ICi )CC (3) i =1 优优点点在在Amdahl定律中定律中, F的计算是很困难的的计算是很困难的, 而统计而统计IC或测量或测量CPI 却相对容易得多却相对容易得多. 已知某计算机的指令使用频度和各类指令的已知某计算机的指令使用频度和各类指令的CPI如下如下: 操作 频率 时钟周期数 ALU 操作 43% 1 Loads 21% 2 Stores 12% 2 Branch 24% 2 CPI = 43%121%212%224%2 =1.57 CPU

16、time = IC1.57CC 已知测量数据如下已知测量数据如下: FP操作指令的使用频度操作指令的使用频度= 25%, FP指令的平均指令的平均CPI = 4.0, 其他指令的平均其他指令的平均CPI = 1.33, FPSQRT的使用频度的使用频度=2%,FPSQRT的的CPI=20.一种方法是设法把一种方法是设法把FPSQRT的的CPI减少到减少到 2;另一种方法是使所有另一种方法是使所有FP指令的平均指令的平均CPI减少到减少到 2. 问哪种方案更好问哪种方案更好?原 CPI = (425%)(1.3375%) = 2.0 新 CPI FPQRT = 2.02%(202) = 1.64

17、 新 CPI FP = (225%)(1.3375%) = 1.5 原 CPUtime 原 CPI 2.0 Speedup FP= = = = 1.33 新 CPUtime 新 CPIFP 1.5 机器机器A: 一条比较指令一条比较指令+一条转移一条转移 条件转移指令频度条件转移指令频度=20%机器机器B: 一条比较且转移指一条比较且转移指令令 CCb = 1.25 *CCa已知已知: 条件转移指令平均条件转移指令平均 CPI=2, 其他指令平均其他指令平均 CPI=1问问: 以以CPUtime来衡量来衡量, 哪台机器的性能更好哪台机器的性能更好?CPI a = ( 20% * 2 )+ (80% * 1) =1.2CPUtime a = ICa*1.2*CCa = 1.2* ICa*CCa因无比较指令因无比较指令, ICb = 0.8*ICa; 条件转移频度条件转移频度=20% / 80%=25%CPI b = ( 25% * 2 )+ (75%