體系結(jié)構(gòu)第1章 第3講

國家精品課程：計算機體系結(jié)構(gòu)第一章基本概念國防科技大學計算機學院主講人：教授5.集成電路的發(fā)展和摩爾定律1965年，時任仙童公司研發(fā)實驗室主任的摩爾（GordonMooer）在《Electronics》上撰文，認為集成電路密度大約每兩年翻一番40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)展第一章基本概念本章主要內(nèi)容：1.1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1.3計算機系統(tǒng)設計和分析1.4小結(jié)1.3計算機系統(tǒng)設計和分析1.3.1成本與價格1.3.2基準測試程序1.3.3量化設計的基本原則1.3.1成本與價格商品的標價（價格）由這樣一些因素構(gòu)成原料成本、直接成本、毛利和折扣PC的成本和價格裝機部件的成本分布（2012.11）

型號價格（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%鼠標賽睿

Kinzu

v21693.2%鍵盤雷蛇

橘倉金蛛

工包版1593.0%機箱航嘉

暗夜奇兵1492.8%電源安鈦克

VP

350P2294.3%總價

5353

成本-時間因素：學習曲線產(chǎn)品價格隨時間變化的特性，就是價格隨時間下降的趨勢1.3.2基準測試程序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？五類測試程序真實程序修正的（或者腳本化）應用程序核心程序小測試程序合成測試程序測試程序包(組件,benchmarksuites)選擇一組各個方面有代表性的測試程序組成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：www.SPEC.org基于NUIX，誕生于20世紀80年代由真實程序和核心程序構(gòu)成采用C和Fortran兩種語言，后增加C++包括整數(shù)部分SPECint和浮點部分SPECfp主要版本包括SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和SPEC2006等SECP2006功能進一步細化臺式計測試：SPECCPU2000圖像測試：SPECviewperf,SPECapcNFS性能測試：SPECSFSWeb服務測試：SPECWebSPECCPU2006SPEC2006有12個整數(shù)程序9個C程序其它是C++程序浮點包中有6個Fortran4個C++3個C4個C和Fortran混合程序其它測試包TPC-x測量事務處理、排隊系統(tǒng)、決策支持、數(shù)據(jù)庫應用等的性能1985年發(fā)布第一個TPC測試程序TPC-A，并先后發(fā)布多個修改版本并補充了四個不同的測試程序，構(gòu)成TPC測試程序組件嵌入式處理器EEMBC:EDN嵌入式微處理器測試程序聯(lián)盟發(fā)布的測試程序包1.3.3量化設計的基本原則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算3．程序的局部性原理程序執(zhí)行時所訪問存儲器在時-空上是相對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，同時要說明針對該事件進行的改進將如何提高機器的性能“好鋼用在刀刃上”，事半功倍Amdahl定律假設我們對機器（部件）進行某種改進，那么機器系統(tǒng)（部件）的加速比就是核心概念：時間系統(tǒng)加速比告訴我們改進后的機器比改進前快多少Amdahl定律系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素“可改進比例”：可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例，它總是小于等于1的T0/T1“部件加速比”可改進部分改進以后的性能提高，一般情況下它是大于1的T1/T2ToT1T2TeAmdahl的系統(tǒng)執(zhí)行時間部件改進后，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執(zhí)行時間，即：總執(zhí)行時間改進后=（1-可改進比例）

總執(zhí)行時間改進前+=總執(zhí)行時間改進前

[（1-可改進比例）+]Amdahl的系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比為改進前與改進后總執(zhí)行時間之比，為： 系統(tǒng)加速比 = =Amdahl定律的觀點性能增加的遞減規(guī)則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Amdahl定律的一個重要推論針對整個任務的一部分進行優(yōu)化，則最大加速比不大于Amdahl定律衡量一個“好”的計算機系統(tǒng)具有高性能價格比的計算機系統(tǒng)是一個帶寬平衡的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能Amdahl定律練習例1：假設在某程序的執(zhí)行過程中，浮點操作時間占整個執(zhí)行時間的10%，現(xiàn)希望對浮點操作加速。設對浮點操作的加速比為Sf，請推導出程序總的加速比S和Sf之間的關(guān)系表達式；請問程序的最大加速比可達多少？Amdahl定律練習fS與Sf的關(guān)系表達式為：Amdahl定律練習f程序的最大加速比Smax為：Amdahl定律練習例2： 求平方根和浮點乘是圖形應用中常用的轉(zhuǎn)換，假設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20%，浮點乘操作在該程序中占總執(zhí)行時間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)整流水線把浮點乘速度提高為原來的1.6倍問： 采用兩種方法增強后此基準程序加速比是多少？Amdahl定律練習30%20%加速比=增強前時間/增強后時間

=1/（0.5+0.2/10+0.3/1.6)=1/0.7075=1.