計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基本原理

第一章計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基本原理

1.1簡(jiǎn)介

半個(gè)多世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了驚人的發(fā)展。1945年時(shí)還沒有能存儲(chǔ)程序的

計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在，花不到一千美元買到的個(gè)人計(jì)算機(jī)比1980年花一百萬美元買的計(jì)算

機(jī)具有更高的性能、更大的主存和磁盤空間。這一高速發(fā)展既得益于計(jì)算機(jī)制造技術(shù)

的進(jìn)步，又離不開計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

盡管制造技術(shù)的進(jìn)步速度相當(dāng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展速度卻不那么穩(wěn)定。在電

子計(jì)算機(jī)發(fā)展的最初25年中，這兩股力量的貢獻(xiàn)都很大，但大約從七十年代開始，

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者開始更多地依賴于集成電路技術(shù)。七十年代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)工業(yè)占統(tǒng)治地

位的大型機(jī)和小型機(jī)的性能以每年25—30%的速度提高。

七十年代末出現(xiàn)了微處理器，它比大型機(jī)和小型機(jī)集成度更高，因而促進(jìn)了集成

電路技術(shù)的發(fā)展，這又進(jìn)一步推動(dòng)了計(jì)算機(jī)性能的提高一一計(jì)算機(jī)性能以大約每年

35%的速度提高。

這一發(fā)展速度，再加上.微處理器批量生產(chǎn)的成本優(yōu)勢(shì)，使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中以微處

理器為基礎(chǔ)的部分迅速膨脹。此外，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的兩個(gè)重大變化使新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)比以往更容易取得商業(yè)運(yùn)作的成功。其一，人們實(shí)際已經(jīng)不再使用匯編語言編程，

這就降低了對(duì)目標(biāo)代碼兼容性的要求。其二，標(biāo)準(zhǔn)的、與廠商無關(guān)的操作系統(tǒng)（如

UNIX）的出現(xiàn)，減小了推出新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

圖1.1八十年代中期之后微處理器的性能增長速度實(shí)際上要比以前快。這張圖表

是根據(jù)SPECint測(cè)試程序的結(jié)果繪制的計(jì)算機(jī)性能曲線，以VAX11/780為基準(zhǔn)。隨

著SPEC的發(fā)展變化，通過和SPEC的兩個(gè)不同的版本（如SPEC92和SPEC95）有關(guān)

的比例因子來對(duì)更新的機(jī)器性能進(jìn)行評(píng)估。在八十年代中期以前，微處理器的性能提

高主要是技術(shù)驅(qū)動(dòng)的，平均以每年35%的速度提高。此后，微處理器的性能提高主要

得益于先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。截止到2001年，這一增長速度已經(jīng)使總的性能叮

單純依靠技術(shù)進(jìn)步能夠達(dá)到的性能之間有了十五倍的差距。浮點(diǎn)運(yùn)算的性能提高得

更快。

正是這些變化使得在八十年代初RISC的新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的推出成為可能。設(shè)計(jì)者把

基于RISC的機(jī)器的注意力放在兩個(gè)關(guān)鍵性能技術(shù)上：指令級(jí)并行的開發(fā)（從最初的

流水線操作到后來的多指令流）和高速緩存的使用從最初簡(jiǎn)單的形式到后來的復(fù)雜的

組織方式和優(yōu)化方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組織的共同增強(qiáng)導(dǎo)致在性能方面以每年50%以上的

速度持續(xù)提高了長達(dá)20年。圖1.1顯示了這種發(fā)展速度的差異。

這一令人難以置信的飛速發(fā)展帶來了雙重效果。一方面，它極大地增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)

提供給用戶的功能?，F(xiàn)代最高性能的微處理器對(duì)很多應(yīng)用程序的處理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不

到10年前的那時(shí)候的巨型機(jī)。

另一方面，這一飛速發(fā)展使以微處理器為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)在整個(gè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域占據(jù)了

統(tǒng)治地位。工作站和PC機(jī)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)工業(yè)的主要產(chǎn)品。由邏輯電路或門陣列制

成的小型機(jī)已經(jīng)被用微處理器制造的服務(wù)器取代了。大型機(jī)也在慢慢地被由流行的微

處理器組成的多處理器取代。甚至高端產(chǎn)品——巨型機(jī)也可以由多個(gè)微處理器構(gòu)成。

不必與以往設(shè)計(jì)相兼容的自由性和微處理器技術(shù)的使用促使了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)

興，此時(shí)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)既強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，又強(qiáng)調(diào)充分利用技術(shù)進(jìn)步的成果。正

是這?復(fù)興帶來了如圖1」所示的計(jì)算機(jī)工業(yè)史無前例的飛速發(fā)展。截止到2001年，

微處理器的最高性能與單純依賴以提高集成電路設(shè)計(jì)在內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步能夠達(dá)到的性

能相比，前者幾乎是后者的十五倍。

在過去短短幾年間，集成電路的迅猛發(fā)展使得像x86（或是1A-32）這樣的舊的少

流水線型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也能夠采用基于RISC的許多新的方法。如我們所看到的，現(xiàn)代

x86處理器基本上有一個(gè)前端部件，這個(gè)部件可以讀取并解碼x86指令并將其映射為

簡(jiǎn)單的ALU、內(nèi)存訪問，或者是能在RISC式流水線處理器中執(zhí)行的分支操作。從90

年代末開始，隨時(shí)晶體管數(shù)量的猛增，解釋更多更復(fù)雜的x86系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的費(fèi)用相對(duì)于

它在?個(gè)現(xiàn)代微型處理器中的整個(gè)晶體管數(shù)量來說，已經(jīng)變的微不足道了。

本教材講述的正是使這一飛速發(fā)展成為可能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想和相關(guān)

的編譯器的發(fā)展。處于這一戲劇性革命中心地位的是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的定量方法的發(fā)展和

以對(duì)程序的直接觀察、實(shí)驗(yàn)和模擬為工具的分析方法。本書所反映的正是這種設(shè)計(jì)風(fēng)

格和方法。

要保持近年來計(jì)算機(jī)成本降低、性能提高的速度需要計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新，筆

者認(rèn)為這種創(chuàng)新將建立在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的定量方法基礎(chǔ)匕因此，寫本書的目的不僅限

于闡述這種設(shè)計(jì)方式，而且希望它能夠激勵(lì)讀者為計(jì)算機(jī)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。

1.2計(jì)算的改變方向和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)

六十年代，計(jì)算的主要形式是利用大型機(jī)，這種機(jī)器往往價(jià)值幾百萬美元，并且

安放在專用的計(jì)算機(jī)室里，需要多個(gè)操作員來進(jìn)行操作。典型的應(yīng)用程序是商務(wù)數(shù)據(jù)

處理和大規(guī)模的科學(xué)計(jì)算。七十年代誕生了小型機(jī)，這是一種小規(guī)模的主要針對(duì)科學(xué)

實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器，但是卻像多用戶通過自己的終端共享一臺(tái)機(jī)器這個(gè)技術(shù)一樣得到了廣

泛的使用。八十年代出現(xiàn)了基于微處理器的臺(tái)式電腦，有個(gè)人電腦和工作站兩種形式。

個(gè)人擁有臺(tái)式電腦取代了分時(shí)技術(shù)導(dǎo)致了服務(wù)器的應(yīng)用，服務(wù)器是一個(gè)能夠提供如可

靠的長時(shí)間的文件存儲(chǔ)、大內(nèi)存利高計(jì)算能力的大規(guī)模服務(wù)的計(jì)算機(jī)。九十年代出現(xiàn)

了Internet和WWW,第一個(gè)成功的掌上電腦(個(gè)人數(shù)字助理或PDA)和高性能數(shù)字

消費(fèi)品，這包括視頻游戲和機(jī)頂盒等。

這些變化對(duì)■我們?nèi)绾慰创?jì)算、計(jì)算的應(yīng)用以及在新千年開始的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的巨

大變化起了鋪墊作用。在個(gè)人電腦誕生20余年后的今天，我們看到在計(jì)算機(jī)在外表

以及使用方法上的巨大變化。在計(jì)算機(jī)使用上的變化導(dǎo)致了三個(gè)不同的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，

它們之間以不同的應(yīng)用程序、需求和計(jì)算技術(shù)作為區(qū)別。

桌面電腦

第一個(gè)，也是最大的一個(gè)市場(chǎng)是桌面電腦市場(chǎng)。桌面電腦的界定可以從低于1000

美元的低端系統(tǒng)到超過10000美元、具有良好性能的工作站。在價(jià)格和性能的這個(gè)范

圍內(nèi)，臺(tái)式電腦市場(chǎng)的總體趨勢(shì)是優(yōu)化性價(jià)比。性能和價(jià)格的結(jié)合是這個(gè)市場(chǎng)的消費(fèi)

者最關(guān)心的，因此也是設(shè)計(jì)者最關(guān)心的。因此，桌面系統(tǒng)往往是最新最高性能的處理

器和降價(jià)微處理器系統(tǒng)最先露面的場(chǎng)所。

盡管網(wǎng)絡(luò)中心和交互式應(yīng)用對(duì)性能的評(píng)估產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)，桌面電腦在考慮應(yīng)用

和測(cè)試方面上也是最趨于合理的。我們?cè)?.9中將會(huì)討論，桌面電腦市場(chǎng)中PC部分

似乎是更把時(shí)鐘頻率作為衡量性能的直接尺度。這種關(guān)注將導(dǎo)致消費(fèi)者和設(shè)計(jì)者都產(chǎn)

生錯(cuò)誤的決定。

服務(wù)器

桌面電腦興起的同時(shí)，服務(wù)器在提供更大規(guī)模及更可靠的文件與計(jì)算服務(wù)中的作

用也日趨明顯。WorldWideWeb的出現(xiàn)使加速了這種趨勢(shì)，這是因?yàn)閷?duì)Web服務(wù)器

和基于Web的成熟服務(wù)的需求增長迅速。這些服務(wù)器取代了傳統(tǒng)的大型機(jī)成為企業(yè)進(jìn)

行大規(guī)模處理的中樞。

對(duì)于服務(wù)器來講，一些不同的特點(diǎn)是很重要的。首先，可用性是關(guān)鍵。我們使用

“可用性”這個(gè)詞表示系統(tǒng)能夠提供可靠的和有效的服務(wù)。這有別于“可靠性”，它

僅表示系統(tǒng)不失敗。大規(guī)模系統(tǒng)的一些部分不可避免的要失?。悍?wù)器的一個(gè)挑戰(zhàn)是

在面對(duì)部件失敗的前提下保證系統(tǒng)的有效性，這通常是通過冗余來達(dá)到的。這個(gè)話題

將在第7章詳細(xì)討論。

為什么可用性很關(guān)鍵呢？想想Yahoo!的服務(wù)器，為Cisco確保訂單的服務(wù)器，

或者eBay上提供拍賣的服務(wù)器。顯然，這樣的系統(tǒng)一定是1周7天，1天24小時(shí)運(yùn)

轉(zhuǎn)的。這樣服務(wù)器系統(tǒng)的失敗比起一臺(tái)桌面電腦的失敗要更具有災(zāi)難性。評(píng)估停工期

(downtime)的損失是很難的，這里我們可以假設(shè)停工期均勻分布，而且不發(fā)生系統(tǒng)

空閑的時(shí)候，圖1.2給出了這樣的一個(gè)分析。這里我們可以看出，?個(gè)不可用系統(tǒng)的

估計(jì)成本是很高的，圖1.2僅僅給出了損失的收入，其中還不包含給顧客造成的心理

上的損失。

服務(wù)器系統(tǒng)的第二個(gè)關(guān)鍵特性是強(qiáng)調(diào)可擴(kuò)展性。由于對(duì)服務(wù)器所提供服務(wù)的需求

的增長和對(duì)其它功能的需求，服務(wù)器通常會(huì)超過其壽命。因此，對(duì)于服務(wù)器來講，能

夠升級(jí)計(jì)算能力、主存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)空間和I/O帶寬是很關(guān)鍵的。

最后，服務(wù)器是為有效的吞吐量設(shè)計(jì)的。也就是說，服務(wù)器的整體性能——用每

分鐘處理的事務(wù)數(shù)或者每秒鐘提供的頁面服務(wù)來衡量——是關(guān)鍵。對(duì)單個(gè)請(qǐng)求的相應(yīng)

很重要，但用單位時(shí)間處理的請(qǐng)求數(shù)目來表示的整體的效率和成本效率對(duì)絕大多數(shù)服

務(wù)器來講是關(guān)鍵的。（我們將在1.5節(jié)再次談到不同類型的計(jì)算環(huán)境下性能的核定）

年平均損失

應(yīng)用每小時(shí)損失1%（87.6小時(shí)/0.5%（43.8小0.1%（8.8小

年）時(shí)/年）時(shí)/年）

經(jīng)紀(jì)人業(yè)務(wù)$6,450$565$283$56.5

信用卡認(rèn)證$2,600$228$114$22.8

家庭購物通道$150$1.3$6.6$1.3

包裝服務(wù)$113$9.9$4.9$1.0

編目銷售中心$90$7.9$3.9$0.8

航空預(yù)定中心$89$7.9$3.9$0.8

手機(jī)服務(wù)激活$41$3.6$1.8$0.4

網(wǎng)絡(luò)在線費(fèi)用$25$2.2$1.1$0.2

ATM服務(wù)費(fèi)$14$1.2$0.6$0.1

圖1.2通過分析停工期得到的不可用系統(tǒng)的損失（在直接收入損失方面），假設(shè)

有三種不同級(jí)別的有效性，同時(shí)停工期是均勻分布。數(shù)據(jù)來源于Kembel[2000],由

ContingencyPlanningResearch整理.和分析。

嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)——放置在其他設(shè)備中的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的存在往往并不顯而易見

一是計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中增長最快的部分。這些設(shè)備范圍很廣泛，從每天都使用的機(jī)器（如

大多數(shù)微波爐、洗衣機(jī)、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，和所有包含嵌入式微處理器的汽車）

到手持?jǐn)?shù)字設(shè)備（如掌上電腦，手機(jī)和Smart卡）到視頻游戲和數(shù)字機(jī)頂盒。盡管在

?些應(yīng)用中（如掌上電腦）計(jì)算機(jī)是可編程的，但是在更多的嵌入式應(yīng)用中，編寫程

序僅僅發(fā)生于初始的應(yīng)用代碼載入和后期軟件的升級(jí)。因此，應(yīng)用通常可以針對(duì)處理

器和系統(tǒng)量體裁衣。這樣的裁減過程包括關(guān)鍵循環(huán)用匯編語言實(shí)現(xiàn)等，但這些匯編代

碼的開發(fā)是受開發(fā)時(shí)間和好的軟件工程實(shí)踐所限制的。匯編語言的使用、標(biāo)準(zhǔn)化操作

系統(tǒng)的出現(xiàn)和大量兼容性的基礎(chǔ)代碼是嵌入式市場(chǎng)上最受關(guān)注的。像其他計(jì)算應(yīng)用一

樣，軟件花費(fèi)也是嵌入式系統(tǒng)中很大的一部分開銷。

嵌入式計(jì)算機(jī)的處理能力和價(jià)格范圍很廣泛——從低端的少于1美元的8比特和

16比特處理器，到少于10美元每秒可以執(zhí)行5千萬條指令的全32比特微處理器，到

高端的幾百美元能夠?yàn)樽钚碌囊曨l游戲或高端網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供每秒十億條指令計(jì)算

能力的嵌入式處理器。盡管嵌入式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上處理能力的范圍很廣泛，但價(jià)格仍然

是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)考慮的個(gè)關(guān)鍵因素。性能的需求是存在的，但是主要的目標(biāo)還是以

最低的價(jià)格滿足性能要求，而不是用高價(jià)格達(dá)到更高性能。

通常，嵌入式應(yīng)用的性能需求是實(shí)時(shí)需求。實(shí)時(shí)性能是指每個(gè)程序片斷有一個(gè)有

限的最大執(zhí)行時(shí)間。舉個(gè)例子，在數(shù)字機(jī)頂盒中，因?yàn)樘幚砥鞅仨氃诤芏虝r(shí)間內(nèi)接受

和處理下一幀，所以每一個(gè)視頻幀的處理時(shí)間是有限的。在一些應(yīng)用中存在著更為復(fù)

雜的需求：當(dāng)時(shí)間超過最大時(shí)間時(shí)，一個(gè)特定任務(wù)的平均時(shí)間和例程的數(shù)目是受約束

的。為此，一種能夠偶爾避免個(gè)事件的時(shí)間約束，又不避免過多的約束的方法產(chǎn)生

了，這種方法有時(shí)被稱為軟件實(shí)時(shí)。實(shí)時(shí)性能往往是和應(yīng)用高度相關(guān)的。通常是在核

心態(tài)下，用應(yīng)用程序或者標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序（參見1.5節(jié)的EEMBC測(cè)試程序）來衡量

的。隨著嵌入式微處理器的廣泛使用，產(chǎn)生了對(duì)測(cè)試程序的廣泛需求，這些需求包括

從運(yùn)行小且有限的程序片斷到能夠穩(wěn)定的運(yùn)行數(shù)萬行代碼。

在很多嵌入式應(yīng)用中還存在著其他兩個(gè)關(guān)鍵的特性：最小化存儲(chǔ)器的需要和最小

化功耗的需要。在很多嵌入式應(yīng)用中，存儲(chǔ)器是作為系統(tǒng)成本的一部分，因此對(duì)存儲(chǔ)

器大小的優(yōu)化是很重要的。有時(shí)應(yīng)用程序能夠裝入整個(gè)處理器片上的存儲(chǔ)器，其他時(shí)

候應(yīng)用程序需要裝入一個(gè)片外的小存儲(chǔ)器。無論如何，因?yàn)閿?shù)據(jù)大小是受應(yīng)用程序決

定的，所以存儲(chǔ)器大小的重要性就轉(zhuǎn)化為代碼大小的重要性。下一章我們將會(huì)看到，

一些體系結(jié)構(gòu)存在專門的指令集能夠減少代碼長度。大存儲(chǔ)容量同樣代表了更高的功

耗，同時(shí)優(yōu)化功耗在嵌入式應(yīng)用中也是關(guān)鍵。盡管強(qiáng)調(diào)低功耗是因?yàn)槭褂秒姵氐脑颍?/p>

但是使用更便宜封裝材料（塑料和陶瓷的對(duì)比）的需求和缺少風(fēng)扇的制冷都限制了功

耗的整體消耗。我們將在后續(xù)章節(jié)里詳細(xì)介紹這個(gè)問題。

另外一個(gè)在嵌入式系統(tǒng)中很重要的趨勢(shì)是把處理器核和特定應(yīng)用電路相結(jié)合。通

常應(yīng)用程序的功能和性能是通過將定制的硬件解決方案和在能在標(biāo)準(zhǔn)嵌入式處理器

核上運(yùn)行的軟件相結(jié)合的方法得到的，這種軟件能夠與專用硬件交互。實(shí)際匕嵌入

式問題通常是通過以下三種方法之一解決的：

1.設(shè)計(jì)者使用一個(gè)組合的軟硬件解決方案，其中包括定制的硬件和整合在所定

制硬件中的嵌入式處理器核。

2.設(shè)計(jì)者使用定制的軟件運(yùn)行在非定制的嵌入式處理器上。

3.設(shè)計(jì)者使用一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器和為這個(gè)處理器定制的軟件。數(shù)字信號(hào)處理

器（DSPs）是專為信號(hào)處理應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的處理器。我們將在下章討論數(shù)字

信號(hào)處理器和通用嵌入式處理器的區(qū)別。

不管是非定制的微處理器還是微處理器核，本書討論的大部分內(nèi)容都適用于嵌入

式處理器（需要同其它專用硬件一起組裝）的設(shè)計(jì)和使用。針對(duì)特定應(yīng)用程序的專用

硬件的設(shè)計(jì)和DSP的細(xì)節(jié)不在本書討論范圍。圖1.3總結(jié)了這三類計(jì)算環(huán)境和它們的

重要特性。

特征桌面式服務(wù)器嵌入式

系統(tǒng)價(jià)格$1,000-$10,000$10,000-$10,000,$10-$100,000（包

000括高端網(wǎng)絡(luò)路由

器）

微處理器價(jià)格$100-$1,000$200一$2000（每個(gè)）$0.20-$200

每年微處理器銷量150,000,0004,000,000300,000,000（只

（2000年）有32位和64位的）

關(guān)鍵設(shè)計(jì)性價(jià)比，圖形性能吞吐量，可用性，可價(jià)格，功耗，專用

擴(kuò)展性程序性能

圖1.3三種計(jì)算類型和系統(tǒng)特征的總結(jié)注意服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格的變化

范圍是很廣的。對(duì)于服務(wù)器來講，這種范圍來源于應(yīng)用高端事務(wù)處理和網(wǎng)頁服務(wù)時(shí)時(shí)

大規(guī)模多處理器系統(tǒng)的需求。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來講，一個(gè)重要的高端應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)路由

器，它包括多個(gè)處理器和大量的存儲(chǔ)器以及其他電子設(shè)備。如果包括8位和16位微

處理器的話，2000年銷售的嵌入式處理器的總數(shù)估計(jì)可超過10億塊。事實(shí)上，最大

的銷售微處理器的市場(chǎng)是Intel的8位微控制器。另外，區(qū)分低端的服務(wù)器市場(chǎng)和桌面

電腦市場(chǎng)也是很困難的，因?yàn)榈投朔?wù)器一特別是那些在5000美元以下的服務(wù)器

一同桌面電腦本質(zhì)上是沒有區(qū)別的。因此，多達(dá)幾百萬的PC單元也可以有效的做

為服務(wù)器來使用。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者面臨的任務(wù)非常復(fù)雜：對(duì)一臺(tái)新計(jì)算機(jī)而言，首先要判斷哪些特征

是最重要的，然后在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高。這里面涵蓋的問題是多方面

的，包括指令集的設(shè)計(jì)、功能組織、邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中實(shí)現(xiàn)可能涉及集成電路的

設(shè)計(jì)、封裝、電源的設(shè)計(jì)以及冷卻措施。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要熟練掌握很多領(lǐng)域中的技術(shù)，

從編譯器、操作系統(tǒng)到邏輯設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)。

過去，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常僅指指令集設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的其他方面則被稱為實(shí)

現(xiàn)。這種說法通常暗示著實(shí)現(xiàn)不那么有趣或不那么具有挑戰(zhàn)性。筆者認(rèn)為這種說法不

僅不正確，甚至應(yīng)對(duì)新指令集設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤負(fù)責(zé)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者一一即計(jì)算

機(jī)設(shè)計(jì)者一一的工作遠(yuǎn)不止是指令集設(shè)計(jì)，在其它方面遇到的技術(shù)困難與在指令集設(shè)

計(jì)中遇到的困難同樣具有挑戰(zhàn)性。尤其是在不同指令集之間的差距不斷縮小和存在三

個(gè)截然不同的應(yīng)用領(lǐng)域的今天，這一點(diǎn)更是千真萬確。

在本書中，指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指的是程序員可見的實(shí)際指令集。這一指令集的系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)是軟件與硬件的界面，這是第二章集中討論的內(nèi)容。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)包括兩部

分內(nèi)容：結(jié)構(gòu)和硬件。

結(jié)構(gòu)涵蓋了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的高層次方面,例如存儲(chǔ)系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部CPU（中

央處理單元——實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、分支和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟考┑脑O(shè)計(jì)。Pentium

III和Pentium4的指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)卻不同。盡管Pentium4增加了新的指令,

但基本上都是浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

硬件是指一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。這可能包括具體的邏輯設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)。

同一系列的計(jì)算機(jī)通常具有相同的指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)，但它們的

具體硬件實(shí)現(xiàn)卻不同。例如，PentiumII和Celeron,二者具有幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)，

但時(shí)鐘頻率和存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的有所不同使得對(duì)于低端計(jì)算機(jī)而言Celeron更加

有效。在本書中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一詞包含了上述計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的所有三個(gè)方面——指令集系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和硬件。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者必須設(shè)計(jì)一臺(tái)既能滿足功能要求，又能達(dá)到價(jià)格和性能目標(biāo)的計(jì)

算機(jī)。通常，他們還必須弄明白功能要求究竟是什么。這可能是主要的任務(wù)。這些要

求中可能包括由市場(chǎng)需求激發(fā)的特定功能。確定了機(jī)器的用途后，應(yīng)用軟件通常能幫

助我們篩選出特定的功能要求。如果市場(chǎng)上已有大量為某指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟

件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者就可能會(huì)在新機(jī)器中實(shí)現(xiàn)這一指令集。如果對(duì)某一類特定應(yīng)用軟

件的市場(chǎng)需求非常大，設(shè)計(jì)者也可能會(huì)在新計(jì)算機(jī)中引入某些支持這些軟件的功能特

性，以增強(qiáng)新計(jì)算機(jī)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。圖14總結(jié)了設(shè)計(jì)一臺(tái)新計(jì)算機(jī)時(shí)要考慮的

功能要求。其中許多要求和特性將在以后的章節(jié)中深入討論。

一旦確定了一系列功能要求后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者就要盡可能優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)然，究

竟哪?種設(shè)計(jì)是最優(yōu)的取決于不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)。過去幾十年里計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的變化

強(qiáng)烈的影響著衡量標(biāo)準(zhǔn)的變化。桌面電腦一直注重在費(fèi)用性能方面的優(yōu)化，而服務(wù)器

卻注重可用性、可擴(kuò)展性、吞吐量和那些價(jià)格驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)部的功耗問題等。

不同的市場(chǎng)的多樣性導(dǎo)致了設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)基本原理的不同方面的努力。對(duì)于桌面電

腦市場(chǎng)而言，他們把更多的努力放在如何設(shè)計(jì)一個(gè)可以將圖像和I/O系統(tǒng)集成到系統(tǒng)

中的領(lǐng)先的微處理器；在服務(wù)器市場(chǎng)，則更多的關(guān)注在一個(gè)多處理器結(jié)構(gòu)中，如何集

成一個(gè)高性能的微處理器和設(shè)計(jì)可擴(kuò)展和高可用性的I/O系統(tǒng)。最后，領(lǐng)先的嵌入式

處理器市場(chǎng)中的挑戰(zhàn)在于，在考慮功耗限制和圖形視頻高性能處理的前提下，如何在

一定價(jià)格范圍內(nèi)應(yīng)用高端處理器技術(shù)來獲得更好的性能。

除了性能，價(jià)格也是優(yōu)化性能價(jià)格比的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，設(shè)計(jì)者還必須密切

關(guān)注實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的重要發(fā)展趨勢(shì)，這不僅關(guān)系到產(chǎn)品未來的成本，而

且能夠決定某種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壽命。下面的兩小節(jié)將討論成本和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

功能要求應(yīng)具備或支持的典型特性

應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的目標(biāo)

通用對(duì)一系列任務(wù)均有較好的平衡性能（如圖像、視頻、

音頻的交互性能）（第2、3、4、5章）

科學(xué)計(jì)算具有較高的浮點(diǎn)運(yùn)算和圖像處理功能（附錄G、H）

商用支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和事務(wù)處理功能；有較強(qiáng)的可靠性和可用

性；支持可擴(kuò)展性。（第2、6、8章）

嵌入式計(jì)算通常要求對(duì)圖像、視頻（或是其它一些有特殊要求的

地）有特殊的支持；功耗限制、控制（第2、3、4、5

章）

軟件兼容級(jí)別決定機(jī)器可以運(yùn)行哪些軟件

編程語言級(jí)設(shè)計(jì)者自由度較大，但需要新的編譯器（第2、6章）

目標(biāo)代碼或二進(jìn)制級(jí)兼容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定——基本無隨意性可言——但無需

對(duì)軟件或端口程序追加投資

操作系統(tǒng)要求為支持選定的操作系統(tǒng)所必需的特性（第5、8章）

地址空間的大小非常重要的特性（第5章）；可能限制應(yīng)用程序的運(yùn)行

內(nèi)存管理只有現(xiàn)代操作系統(tǒng)才需要考慮這一點(diǎn)，可以是頁式或

段式管理

安全保護(hù)不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用都需要考慮，可以是頁式或段

式保護(hù)

標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)已經(jīng)有某種需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)

浮點(diǎn)格式和算法：IEEE754標(biāo)準(zhǔn)（附錄H）,針對(duì)圖像信號(hào)

處理的特殊算法

I/O總線I/O設(shè)備:ATA、SCSLPCI（第7、8章）

操作系統(tǒng)UNIX、PalmOS>Windows>WindowsNT>WindowsCE、

CISCOIOS

網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的支持：Ethernet,Infiniband（第8章）

編程語言編程語言（ANSIC、C++、Java、FORTRAN）將影響指

令集（第2章）

圖1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要面對(duì)的最重要的性能要求一覽表。左邊一列是需求的

種類，右邊一列則包括了可能需要的特性和相關(guān)章節(jié)及附錄。

1.3計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

?個(gè)成功的指令集必須能夠適應(yīng)硬件、軟件及應(yīng)用特性的各種變化。設(shè)計(jì)者必須

密切關(guān)注計(jì)算機(jī)應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。一個(gè)成功的指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被持續(xù)使

用數(shù)十年，例如IBM大型機(jī)的核心從1964年至今?直被使用著。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)

那些可能會(huì)延長計(jì)算機(jī)壽命的技術(shù)變化必須心中有數(shù)。

從計(jì)算機(jī)的長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，設(shè)計(jì)者必須密切注意計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變化。以下四

種飛速發(fā)展的實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)技術(shù)的影響最為深遠(yuǎn)：

?集成電路邏輯技術(shù)——晶體管的密度以每年大約35%的速度增長，四年后增

長為原來的四倍。電路核心尺寸的變化速度還沒有精確的數(shù)值，大約在每年

10—20%之間。二者總的效果是每片硅片上的晶體管數(shù)目以每年大約55%的

速度增加。器件的增長速度較慢，我們將在下一節(jié)中討論這一問題。

?半導(dǎo)體DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）——其密度以每年40%—60%的速度

增長，三、四年后增長為原來的四倍。訪問速度提高得非常慢，平均每十年

降低為原來的三分之一。每片的帶寬隨著延遲時(shí)間的縮短而以其兩倍的速度

增加。此外，DRAM接口的變化也改善了帶寬，這是第5章中討論的內(nèi)容。

?磁盤存儲(chǔ)技術(shù)——最近，磁盤的密度以每年100%的速度增長，兩年后幾乎

達(dá)到原來的四倍。1990年以前，磁盤密度以每年30%的速度增長，三年內(nèi)幾

乎達(dá)到原來的兩倍。在未來的段時(shí)間內(nèi)，磁盤技術(shù)將以更快的速度提高。

存取時(shí)間在過去十年內(nèi)縮短為原來的三分之一。這技術(shù)是第7章的核心內(nèi)

容，我們將在那一節(jié)中對(duì)這一問題做更加詳盡的討論。

?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——網(wǎng)絡(luò)的性能依靠交換和傳輸系統(tǒng)。時(shí)延和帶寬二者都可以提

高，但近年帶寬是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。以前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展似乎很緩慢，就

像以太網(wǎng)那樣，花了近十年的時(shí)間才從10Mb提高到100Mb。網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重

要性將導(dǎo)致它更快的發(fā)展100Mb以太網(wǎng)出現(xiàn)5年后1Gb以太網(wǎng)就問世了。

在美國，由于光纖設(shè)備和硬件交換系統(tǒng)的使用，互聯(lián)網(wǎng)的主體架構(gòu)已經(jīng)在以

更快的速度發(fā)展（帶寬每年大約增長兩倍）。

依靠這些飛速發(fā)展的技術(shù)，就可以通過提高微處理器的速度和使用先進(jìn)技術(shù)將微

處理器的壽命延長至五年或更長。即使在單個(gè)產(chǎn)品的生命周期中（兩年設(shè)計(jì)期、二到

三年投產(chǎn)期），關(guān)鍵技術(shù)一一例如DRAM技術(shù)一一變化之大也使設(shè)計(jì)者必須將其考慮

在內(nèi)。事實(shí)上，設(shè)計(jì)者是在為未來的某種技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)楫a(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)正是這

一技術(shù)最經(jīng)濟(jì)或性能最優(yōu)時(shí)。通常，成本降低的速度與器件密度提高的速度相當(dāng)。

這些技術(shù)變化不是連續(xù)的，而是跳躍式的，這種階梯式的變化可能使以前無法實(shí)

現(xiàn)的技術(shù)變得可行。例如，八十年代初期，當(dāng)MOS技術(shù)發(fā)展到在一個(gè)硅片上可以有

25,000到50,00（）個(gè)晶體管時(shí)，制造單片的32位微處理器就成為可能的了。到八十

年代末，第一級(jí)高速緩存器在硅片上出現(xiàn)。如果消除處理器和高速緩存的交叉，則可

以提高性價(jià)比和性能/功耗比。但這種設(shè)計(jì)在這一技術(shù)未達(dá)到某?水平之前是不可能

的。這一技術(shù)的突破是可能的，它對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的影響。

集成電路中晶體管、連線和功耗的衡量

集成電路的加工過程是用特征尺寸來表示的，特征尺寸是晶體管或者連線在x,y

方向上的最小尺寸。1971年到2001年，特征尺寸從10微米降到了0.18微米。因?yàn)?/p>

每平方毫米硅上晶體管數(shù)目由一個(gè)晶體管的表面積決定，所以當(dāng)特征尺寸線性減少的

時(shí)候晶體管的密度以平方項(xiàng)增加。但是晶體管性能的增加是更為復(fù)雜的。當(dāng)特征尺寸

減少時(shí)，設(shè)備在水平方向和垂直方向上都是平方倍的減少。在垂直方向上尺寸的減少

需要操作電壓的減少以保證操作的正確和晶體管的可靠性。這種和尺度因素的結(jié)合導(dǎo)

致了晶體管性能和加工的特征尺寸之間的復(fù)雜關(guān)系。近似的說，集體管性能隨著特征

尺寸的減小線性的增加。

晶體管數(shù)目平方倍的增加伴隨著晶體管性能線性的提升，這個(gè)事實(shí)為計(jì)算機(jī)體系

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提出了挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。在微處理器產(chǎn)生之初，晶體管密度的高速增加使得處

理器從4位發(fā)展到8位、16位和32位。直到最近，密度的增加才導(dǎo)致64位微處理器

的產(chǎn)生及很多關(guān)于流水線和高速緩存的改進(jìn)，這些將在第3、4、5章介紹。

盡管晶體管隨著特征尺寸的減少而性能增加，集成電路中的連線卻不這樣。特別

地，連線上的信號(hào)延遲與它的電阻利電容乘積成正比。當(dāng)然，當(dāng)特征尺寸減小，連線

變短，但是每單位長度上的電阻和電容卻增加。這個(gè)關(guān)系比較復(fù)雜，因?yàn)殡娮韬碗娙?/p>

依靠具體的加工方法、連線的兒何形狀、連線的裝載甚至和其他結(jié)構(gòu)的連接。有時(shí)加

工方法會(huì)提高連線延遲，比如用銅作為連接介質(zhì)，這將會(huì)提高一個(gè)單位時(shí)間的線延遲。

通常，線延遲數(shù)值范圍與晶體管性能相比很大，這為設(shè)計(jì)者提出了更多的挑戰(zhàn)。在過

去的幾年里，線延遲已經(jīng)成為了大規(guī)模集成電路中主要的設(shè)計(jì)障礙，而且往往比晶體

管轉(zhuǎn)換延遲更為關(guān)鍵。更多的時(shí)鐘消耗在信號(hào)的線延遲上。2001年，Pentium4將其

20多級(jí)流水線分成兩個(gè)階段，目的僅是在芯片上傳輸信號(hào)。

當(dāng)設(shè)備達(dá)到一定規(guī)模的時(shí)候，功耗同樣是具有挑戰(zhàn)的。對(duì)于現(xiàn)代的CMOS微處理

器，主要的能量消耗在晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。每個(gè)晶體管需要的能量與晶體管的裝載電

容、轉(zhuǎn)換頻率和電壓的乘積成比例。從一個(gè)加工過程到下一個(gè)，晶體管轉(zhuǎn)換的數(shù)量、

它們轉(zhuǎn)換的頻率和載入電容和電壓的減少都導(dǎo)致了整體功耗的增加。第一個(gè)微處理器

消耗功耗僅幾百毫瓦，而2GHz的Pentium4處理器消耗近100瓦的功耗。2001年最

快的微處理器工作站和服務(wù)器消耗功耗在100瓦到150瓦之間。分散功耗，消除熱量

和消除熱點(diǎn)已經(jīng)成為了很困難的挑戰(zhàn)。在不久的將來，很可能是功耗而不是晶體管的

數(shù)量會(huì)成為發(fā)展的最主要的限制。

1.4成本、價(jià)格及其發(fā)展趨勢(shì)

盡管在有的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)（特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)）中成本因素可以不予考慮，

但注重成本的設(shè)計(jì)卻越來越重要。1999年，一半以上的PC機(jī)售價(jià)在1000美元以下,

一臺(tái)嵌入應(yīng)用的32位微處理器的平均價(jià)格是幾十美元。的確，在過去15年中，計(jì)算

機(jī)行業(yè)主要是靠改進(jìn)技術(shù)來提高性能和降低成本的。

教科書中常常忽略性價(jià)比中的成本因素，因?yàn)槌杀咀兓绱酥焓沟媒炭茣械?/p>

內(nèi)容很快就會(huì)顯得過時(shí)了，而且成本在工業(yè)部門中確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的問題?？墒牵O(shè)

計(jì)者如果想在考慮成本因素的情況下對(duì)是否增加某一功能特性作出明智的選擇，就必

須對(duì)成本及其要素有所了解，否則就會(huì)象建筑師對(duì)鋼筋和水泥的行情一無所知就去設(shè)

計(jì)摩天大廈一樣不可想象。

這一節(jié)將集中講述成本、價(jià)格的問題，尤其是二者之間的關(guān)系：價(jià)格是你賣一件

成品所得到的，而成本是你生產(chǎn)這個(gè)產(chǎn)品所花費(fèi)的全部費(fèi)用。同時(shí)我們還討論影響成

本的因素和成本的變化趨勢(shì)。習(xí)題和例題中的具體數(shù)據(jù)可能會(huì)隨時(shí)間改變，但作為成

本決策的基本原則變化相對(duì)要慢一些。這一節(jié)將通過對(duì)那些在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中起主要影

響的成本因素的討論向你介紹上述這些問題。

時(shí)間、產(chǎn)量、商品化和包裝的影響

即使計(jì)算機(jī)的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)元件的生產(chǎn)成本也會(huì)逐漸

降低，這是由于學(xué)習(xí)曲線（單位成本會(huì)隨時(shí)間而遞減）在起作用。學(xué)習(xí)曲線本身最便

于用產(chǎn)出率來衡量，產(chǎn)出率就是通過質(zhì)量檢驗(yàn)的產(chǎn)品占總產(chǎn)品的百分比。不論生產(chǎn)的

產(chǎn)品是芯片、主板還是一個(gè)系統(tǒng)，產(chǎn)量加倍，成本就會(huì)降低一半。

深入理解學(xué)習(xí)曲線對(duì)產(chǎn)出率的影響是在產(chǎn)品生命周期中控制成本的關(guān)鍵。舉一個(gè)

受學(xué)習(xí)曲線影響的例子：自從DRAM芯片的價(jià)格開始與其成本緊密聯(lián)系在一起以后,

每兆字節(jié)DRAM的價(jià)格長期以來一直就以每年40%的速度下降，當(dāng)然這要除去短缺

的一段時(shí)期，那時(shí)DRAM的價(jià)格和成本基本相當(dāng)。事實(shí)上有一段時(shí)期甚至出現(xiàn)了價(jià)

格低于成本，如2001年初。當(dāng)然，制造商是絕不希望這種情況發(fā)生。

圖1.5顯示了每種DRAM芯片在其壽命周期內(nèi)的成本變化，從中可以更形象地看

到這一點(diǎn)。從設(shè)計(jì)初期到產(chǎn)品出廠的兩年間，一個(gè)新的DRAM芯片的成本將固定降

低5—10美元。由于并不是所有的組件成本都以同樣的速度變化，所以基于計(jì)劃成本

的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了不同的成本性能平衡。圖1.5的說明具體討論了DRAM價(jià)格的長期趨勢(shì)。

R

/

以

煙

怨

至

軟

a

年代

圖1.5六代DRAM（從16Kb到64Mb）的價(jià)格（按1977年價(jià)格水平計(jì)價(jià)）隨

時(shí)間變化的曲線——顯示學(xué)習(xí)曲線的作用。1977年的1美元相當(dāng)于2001年的2.95

美元，通貨膨脹主要發(fā)生在1977—1982這五年，在此期間，價(jià)格變化了1.59美元。

在1977-1995年間，DRAM的價(jià)格以令人難以置信的速度狂跌，1MB內(nèi)存從1977年

的5000美元降到2000年的0.35美元，2001年的令人難以置信的0.08美元（以1977

年價(jià)格水平計(jì)價(jià)）。每一代DRAM產(chǎn)品的價(jià)格都在其生命周期內(nèi)降低了10-30個(gè)百

分點(diǎn)。從1996年開始，出現(xiàn)了生產(chǎn)廠家的利潤隨著價(jià)格的下跌而瘋狂降低的局面，

連DRAM的最終價(jià)格也包括在內(nèi)。在供不應(yīng)求時(shí)——例如1987—1988年和1992—

1993年間——價(jià)格有短期的回升，這體現(xiàn)為價(jià)格降低的速度趨緩。在本世紀(jì)初又出現(xiàn)

了大量供過于求的情況，導(dǎo)致了價(jià)格的急遽降低，這是讓廠家不能承受的。

微處理器的價(jià)格同樣在下跌，但是由于它沒有DRAM芯片那么規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以

它的價(jià)格與成本之間的關(guān)系就顯得更加復(fù)雜。在嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期，盡管出售微處理器

的賣主幾乎陷入虧本的境地，但價(jià)格依然隨成本緊密變化。圖1.6顯示了PentiumIII

的價(jià)格變化趨勢(shì)。

除此而外，產(chǎn)量也是決定成本的重要因素。產(chǎn)量會(huì)以幾種方式影響成本。其一，

產(chǎn)量增加會(huì)縮短達(dá)到學(xué)習(xí)曲線最優(yōu)生產(chǎn)效率的時(shí)間，這一時(shí)間部分地與產(chǎn)品或系統(tǒng)的

產(chǎn)量成正比。其二，產(chǎn)量增加可以提高采購和生產(chǎn)的效率，從而降低成本。根據(jù)以往

的經(jīng)驗(yàn)，一些設(shè)計(jì)者曾經(jīng)估算出產(chǎn)量每增加一倍，成本就會(huì)降低10%。其三，隨著產(chǎn)

量的增加，每件產(chǎn)品均攤的開發(fā)費(fèi)用會(huì)減小，因而產(chǎn)品的成本和售價(jià)都可能降低。稍

后，我們還會(huì)討論影響售價(jià)的其它因素。

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時(shí)間

圖1.6當(dāng)產(chǎn)出率提高和競(jìng)爭(zhēng)的壓力同時(shí)導(dǎo)致成本的降低時(shí)，IntelPentiumIH的價(jià)

格隨著時(shí)間的變化以固定的頻率下降。這里的數(shù)據(jù)是由2000年5月出版的微處理器

報(bào)告提供。最新的介紹顯示PentiumHI的價(jià)格將繼續(xù)下跌直到與其今天的最低成本部

件接近一致（100-200美元）。這樣的價(jià)格下跌呈現(xiàn)了一種價(jià)格與成本緊密同時(shí)下降

的競(jìng)爭(zhēng)局面。

零配件是由多家廠商大量出售的可以完全互換的產(chǎn)品。事實(shí)上，零售店貨架上出

售的所有商品都可以稱為零配件。零件包括DRAM、小型磁盤、監(jiān)視器、主板等。在

過去十年中，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的大多數(shù)低端產(chǎn)品是裝配IBM兼容PC機(jī)的零配件。有許多

廠商生產(chǎn)完全可互換的產(chǎn)品，因而該領(lǐng)域內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)激烈。當(dāng)然這種激烈競(jìng)爭(zhēng)減小了售價(jià)

與成本間的價(jià)差，但它同時(shí)也降低了成本。這是因?yàn)榱闶凼袌?chǎng)產(chǎn)量大，而且產(chǎn)品有明

確的規(guī)范，這使得多家廠商可以參與到生產(chǎn)零配件的競(jìng)爭(zhēng)中來。零配件供應(yīng)商之間的

激烈競(jìng)爭(zhēng)和零配件產(chǎn)量增加帶來的高生產(chǎn)效率最終導(dǎo)致零配件的總生產(chǎn)成本的下降。

盡管只有非常有限的利潤可賺（這也是所有零部件行業(yè)的特征），但也使計(jì)算機(jī)行業(yè)

在低端產(chǎn)品方面可以比別的部門獲得更高的性價(jià)比和更大的產(chǎn)量。

集成電路的成本

為什么一本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教科書會(huì)有一節(jié)專門來討論集成電路的成本呢？

在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中，標(biāo)準(zhǔn)件一如磁盤、DRAM等一在計(jì)算機(jī)總成本中占

的比例越來越大，集成電路的成本成了影響計(jì)算機(jī)總成本的重要因素。在產(chǎn)量大、對(duì)

價(jià)格敏感的市場(chǎng)中尤其如此。因此，要想弄清楚整機(jī)的成本就必須先弄清楚集成電路

的成本。

盡管集成電路的成本呈指數(shù)下降趨勢(shì)，但是生產(chǎn)硅片的基本程序并沒有改變：先

對(duì)一個(gè)晶片進(jìn)行測(cè)試，然后把晶片切分成電路小片，再對(duì)每個(gè)電路小片進(jìn)行封裝（見

圖1.7和1.8）。所以?片封裝好的集成電路的成本為：

電路小片的成本+測(cè)試電路小片的成本+封裝成本

集成電路的成本=

最終成品數(shù)目

本節(jié)中，我們集中討論電路小片的成本，并在本節(jié)末尾概略介紹影響測(cè)試和封裝

成本的主要因素，在習(xí)題中會(huì)有對(duì)測(cè)試和封裝成本更詳細(xì)的討論。

圖1.7含有IntelPentium4處理器的8英寸晶片的照片。（照片由Intel提供）

圖1.8含有NECMIPS4122的12英寸晶片的照片。R20K是由帶有指令集擴(kuò)

展的MIPS64系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，被稱作M1PS-3D,用來計(jì)算三維圖像處理。這種R20K

的頻率從500MHz到750MHz,在每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)整數(shù)操作。通過使

用MIPS-3D的指令，R20K可以每秒累計(jì)執(zhí)行30億次的浮點(diǎn)運(yùn)算。（照片由MIPS科

技公司提供）

要想知道每個(gè)晶片上有多少性能良好的電路小片，就要先知道晶片的面積和正

常工作的電路小片所占的比例。由此可以推知電路小片的成本為：

晶體的成本

電路小片的成本=

每片晶片的電路小片數(shù)x電路小片的成品率

有趣的是，這一電路小片的成本公式表明電路小片的成本對(duì)電路小片的大小非常

敏感。下面將闡述這一點(diǎn)：

每個(gè)晶片上電路小片的個(gè)數(shù)近似為晶片的面積除以電路小片的面積，更確切的公

式如下：

每個(gè)晶片的電路小片數(shù):哨-需我步_X晶片的山徑

電路小片的面積，2x電路小片的面積

第一項(xiàng)是晶片面積與電路小片面積的比，第二項(xiàng)是對(duì)晶片邊緣附近方形小片數(shù)目

的修正。晶片的周長除以正方形電路小片的對(duì)角線長度近似為晶片邊緣處電路小片的

數(shù)目。例如，直徑為30厘米（約12英寸）的晶片上有3.14*225-（3.14*30/1.41>640

個(gè)邊長為1厘米的電路小片。

例題直徑為30厘米的晶片上有多少邊長為0.7厘米的電路小片?

解：電路小片的面積為0.49。加2所以

7x（30-2）2

%x30706.594.2S仙

每個(gè)晶片的電路小片數(shù).==------------=134/

0.4972x0,490.490.99

但這僅給出了每個(gè)晶片上可以容納的電路小片最大數(shù)目，還有一個(gè)關(guān)鍵問題是每

士■口上nu■”中口生（單位面積內(nèi)的殘次品數(shù)目X電路小片的面積）

電路小片的成品率=晶片的成品率x1+--------------------------------------

[?）

個(gè)晶片上性能良好的電路小片的比例即電路小片的成品率是多少。集成電路產(chǎn)出率的

一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图俣ㄓ腥毕莸漠a(chǎn)品在晶片中隨機(jī)分布且產(chǎn)出率與制造過程的復(fù)雜性成

反比，所以有如下的公式：

其中晶片成品率除去了完全被損壞因而不必進(jìn)行測(cè)試的晶片。為簡(jiǎn)便起見，我們

假定晶片成品率為100%。單位面積的殘次品數(shù)目用來衡量隨機(jī)缺陷和制造缺陷。在

2001年，因工藝成熟程度（回憶一下前面提到過的學(xué)習(xí)曲線），這一指標(biāo)基本上在0.4

到0.8之間。最后，a是一個(gè)衡量工藝復(fù)雜程度的參數(shù)，它是影響電路小片成品率的

重要參數(shù)，它粗略與掩模的層數(shù)相對(duì)應(yīng)。對(duì)于現(xiàn)在的多層金屬CMOS生產(chǎn)流程而言，

a取4.0較好。

例題設(shè)殘次品密度為0.6/cn?,分別求邊長為1厘米和0.7厘米的電路小片的成品

率。

解：電路小片的面積分別為1平方厘米和0.49平方厘米

面積較大的電路小片的成品率為：

電路小片的成品率=11+0=0.57

面積較小的電路小片的成品率為：

電路小片的成品率==0.75

這樣，用每個(gè)晶片的電路小片的數(shù)目乘以電路小片的成品率（包括次品）就得到

每個(gè)晶片上功能良好的電路小片的數(shù)目。在上面的例子中，預(yù)計(jì)在直徑為30厘米的

晶片上有366個(gè)面積為1平方厘米的性能良好的電路小片或1014個(gè)面積為0.49平方

厘米的性能良好的電路小片。在現(xiàn)代0.25u工藝下，大多數(shù)32位、64位微處理器的

電路小片尺寸都在這個(gè)范圍內(nèi)，在縮放之前的原型制作階段最大的面積曾達(dá)到2平方

厘米。低端嵌入式32位處理器有時(shí)面積小到0.25平方厘米，用了打印機(jī)、汽車的嵌

入式微處理器有時(shí)只有0.1平方厘米（習(xí)題1.8中圖1.34展示了當(dāng)今幾種微處理器的

電路小片和技術(shù)）。

假定在零部件產(chǎn)品（如DRAM和SRAM）的巨大價(jià)格壓力之下，設(shè)計(jì)者不得不

采用多生產(chǎn)一些產(chǎn)品作為提供成品率的種手段。在幾年之內(nèi)，DRAM通過定期的多

生產(chǎn)一些存儲(chǔ)單元來消除那些殘次品。在微處理器中為高速緩存使用的標(biāo)準(zhǔn)SRAM和

更大的SRAM陣列中，設(shè)計(jì)者們都已經(jīng)采用了類似的技術(shù)。顯然，這種多余產(chǎn)品的出

現(xiàn)對(duì)提供成品率是很有效的。

在2001年的領(lǐng)先科技中，以4—6層金屬工藝處理一個(gè)直徑為30cm的晶片需要

花費(fèi)5000-6000美元的成本。假設(shè)一個(gè)處理過的晶片成本是5500美元，那么一個(gè)0.49

平方厘米的電路小片的成本將大約為5.42美元而1平方厘米的電路小片的成本將大

約為15.03美元，或者相當(dāng)于面積是它兩倍的小片的成本的三倍。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者對(duì)芯片的成本應(yīng)該注意哪些東西呢？生產(chǎn)流程決定了晶片的成本、

晶片的成品率、和單位面積的殘次品個(gè)數(shù)，所以設(shè)計(jì)者唯一能控制的就是電路小片的

面積。對(duì)于今天使用的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)而言，通常a取4,所以電路小片的成本與電路

小片面積的四次方（或更高）成正比。然而實(shí)際上，由于單位面積的殘次品的個(gè)數(shù)是

少量的，所以每個(gè)晶片上好的電路小片的數(shù)量和成本是與電路小片的面積的平方成正

比的。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者電路小片的大小有影響，因此對(duì)電路小片的成本有影響。而電路

小片的大小和成本都要受到電路小片所包含的功能特性和I/O管腳數(shù)的影響。

在我們決定把一個(gè)部件加入計(jì)算機(jī)前，必須對(duì)它進(jìn)行測(cè)試、封裝、封裝后的再測(cè)

試。這些步驟都會(huì)增加成本。這些過程帶來的附加成本將在習(xí)題1.8中詳細(xì)討論。

以上重點(diǎn)在于分析生產(chǎn)一個(gè)功能電路小片的成本變量，這是和高產(chǎn)量的集成電路

的發(fā)展相適應(yīng)的。然而對(duì)于那些低產(chǎn)量（如不超過一百萬的零件數(shù)）的集成電路而言,

掩模組的成本是個(gè)非常重要的固定成本。在集成電路處理過程的每一步都需要一個(gè)

單獨(dú)的掩模。所以，對(duì)于現(xiàn)代4-6層金屬層的高密集度工藝制造過程來說，掩模的

成本費(fèi)用通常超過100萬美元。顯然，這個(gè)影響著制造原型和調(diào)試運(yùn)行的巨大的固定

成本，成為了低產(chǎn)量生產(chǎn)中生產(chǎn)成本的一個(gè)重要部分。由于掩模的成本價(jià)格有可能繼

續(xù)上漲，所以設(shè)計(jì)者們將采用組合邏輯來提高某個(gè)部件的復(fù)雜性，或者選取一些門陣

列（特制掩模標(biāo)準(zhǔn)），從而降低掩模的蘊(yùn)涵成本。

成本在系統(tǒng)中的分布：一個(gè)實(shí)例

為透視硅片的成本，圖1.9顯示了2001年的一臺(tái)價(jià)值1000美元的PC機(jī)中各部

件的近似成本。盡管圖1.9中的有些部件的成本隨著時(shí)間的推移必然會(huì)下降，但有些

部件（如機(jī)箱和電源）的成本未來短時(shí)間內(nèi)幾乎不會(huì)有大的變化。此外，我們預(yù)測(cè)將

來的計(jì)算機(jī)會(huì)有更大的內(nèi)存和硬盤空間，這意味著價(jià)格下降的速度會(huì)遠(yuǎn)低于技術(shù)進(jìn)步

的速度。

處理器子系統(tǒng)僅占總成本的6%o盡管在中型或大型設(shè)計(jì)中這一比例會(huì)提高，但

多數(shù)子系統(tǒng)的分類細(xì)目的比例仍是差不多。

系統(tǒng)子系統(tǒng)占總成本的比例

機(jī)箱金屬、塑料、2%

電源、風(fēng)扇2%

電纜線、螺釘和螺母1%

包裝箱、手冊(cè)1%

小計(jì)6%

主板處理器22%

DRAM(128M)5%

顯卡5%

I/O子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)5%

小計(jì)37%

I/O設(shè)備鍵盤利鼠標(biāo)3%

監(jiān)視器19%

硬盤(20GB)9%

DVD驅(qū)動(dòng)器6%

小計(jì)37%

軟件操作系統(tǒng)+基本Office組件20%

圖1.92001年一臺(tái)價(jià)值1000美元的PC機(jī)中各部件的估計(jì)成本分布。注意占

總成本比例最大的單個(gè)部件是處理器，然后是監(jiān)視器。（有趣的是，在1993年的時(shí)候,

DRAM內(nèi)存的價(jià)格占整個(gè)整機(jī)成本的近三分之一，是當(dāng)時(shí)最貴的部件！但從那以后，

它的價(jià)格以每MB大約15個(gè)百分點(diǎn)的速度下跌?。㏕ouma[1993]詳細(xì)討論了工作站的

成本和價(jià)格。

成本與價(jià)格—它們?yōu)槭裁床煌跋嗖疃嗌?/p>

元件的成本可能會(huì)限制設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)某些設(shè)計(jì)意愿，但它與用戶購買的最終產(chǎn)品的

價(jià)格仍然相差甚遠(yuǎn)。在一本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的書中為什么要包含對(duì)價(jià)格的討論呢？成

本在變?yōu)閮r(jià)格之前，要經(jīng)歷許多變化，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)了解他的設(shè)計(jì)決定是如何影

響價(jià)格的。例如，成本提高1000美元，價(jià)格可能會(huì)提高3000到4000美元。如果設(shè)

計(jì)者不清楚成本與價(jià)格的關(guān)系，他就不會(huì)了解增減或替換零件對(duì)價(jià)格的影響。

價(jià)格與產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)一步強(qiáng)化了成本變化對(duì)價(jià)格的影響，特別是在低端產(chǎn)品

的市場(chǎng)。通常，價(jià)格提高會(huì)使銷售量下降，隨之而來的產(chǎn)量減少會(huì)使成本提高，導(dǎo)致

價(jià)格進(jìn)一步提高。這樣，成本即使發(fā)生很小的變化也會(huì)對(duì)價(jià)格產(chǎn)生非常顯著的影響。

成本與價(jià)格之間的關(guān)系非常復(fù)雜，有專著對(duì)此進(jìn)行討論。這一小節(jié)的目的只是介紹一

下影響價(jià)格的重要因素及通常情況下它們影響的強(qiáng)弱程度。

組成價(jià)格的各個(gè)范疇既可以看作在成本的基礎(chǔ)上的附加值也可以看成是價(jià)格的

百分比，我們將從這兩個(gè)方面討論問題。成本與價(jià)格的差異還取決于公司在哪兒銷售

產(chǎn)品。為顯示這些差異，圖1.10列舉了原料成本與標(biāo)價(jià)之間的差額是由哪些部分構(gòu)成

的。圖中，隨著開銷逐漸增加，價(jià)格也從左到右逐漸提高。

直接成本是指與制造一件產(chǎn)品直接相關(guān)的成本，包括勞動(dòng)力成本、購買元件的成

本、碎料（生產(chǎn)所剩余的廢料）和保證金（在保證期內(nèi)系統(tǒng)在用戶端失效時(shí)的更換或

維修費(fèi)用）。直接成本通常是元件成本的10%到30%。因?yàn)橛脩敉ǔＶЦ斗?wù)或維護(hù)

費(fèi)用，所以這部分開支通常不計(jì)算在費(fèi)用內(nèi)，盡管在直接成本或下面將要提到的總利

潤中也可以包括一項(xiàng)名為保證金的費(fèi)用。

另一項(xiàng)附加是額外費(fèi)用，作為公司的額外開銷，它是不能直接計(jì)入產(chǎn)品成本的一

項(xiàng)經(jīng)營性費(fèi)用。這一項(xiàng)可以被看作間接成本。它包括公司的研發(fā)費(fèi)用、營銷費(fèi)用、設(shè)

備維護(hù)費(fèi)用、場(chǎng)地租金、財(cái)務(wù)成本、稅前利潤和賦稅。元件成本加上直接成本和額外

費(fèi)用后，就成了我們通常所說的平均售價(jià)——在MBA術(shù)語中被稱為ASP——也就是

出售產(chǎn)品后進(jìn)入公司的全額。額外費(fèi)用通常占平均售價(jià)的10%到45%,具體數(shù)值取決

于產(chǎn)品的市場(chǎng)比例。低端微機(jī)制造商的額外費(fèi)用通常都不高，這主要有以下幾個(gè)原因:

第一，它們的研發(fā)費(fèi)用不高；第二，它們的銷售費(fèi)用相對(duì)較低，因?yàn)樗鼈兺ǔ２徊捎?/p>

推銷員上門直接推銷的方式，而采用郵購、電話定購或零售商代銷的方式；第三，因

為它們的產(chǎn)品通常不具有壟斷性質(zhì)，競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，所以總利潤通常較小。

標(biāo)價(jià)與平均售價(jià)是不同的。一個(gè)原因是公司通常提供因購買數(shù)量而異的折扣，降

低了平均售價(jià)。另一個(gè)原因是如果產(chǎn)品通過零售商代銷，例如個(gè)人電腦，零售商將提

取標(biāo)價(jià)的一定百分比作為自己的銷售收入。這樣，因分銷系統(tǒng)的不同，平均售價(jià)也和

標(biāo)價(jià)不同。

100%

圖1.10一臺(tái)價(jià)值1000美元的PC機(jī)的價(jià)格組成。每一次價(jià)格提高都是按前一

次價(jià)格的百分比計(jì)算。新價(jià)格中各部分所占的比例在每一列的左側(cè)顯示。

像我們前面提到過的■■樣，價(jià)格對(duì)競(jìng)爭(zhēng)十分敏感：一個(gè)公司可能無法按包括總利

潤所要求的價(jià)格賣出產(chǎn)品。在最壞的情況下，公司必須大幅度削價(jià)甚至虧本銷售。一

個(gè)力圖爭(zhēng)取市場(chǎng)份額的公司可能會(huì)降價(jià)讓利來增加其產(chǎn)品的吸引力。如果產(chǎn)量增加得

足夠多，成本可能會(huì)下降。這其中的關(guān)系非常復(fù)雜，要想深入闡述它們需要整本書，

而不是這一小節(jié)能夠講清楚的。舉個(gè)例子，如果一個(gè)公司降低價(jià)格，而產(chǎn)量卻沒有相

應(yīng)幅度地增加，總的效果將是利潤下降。

許多工程師對(duì)大多數(shù)公司的研發(fā)費(fèi)用僅占其收入的4%