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1、1,徐 洁,计算机系统结构 Computer Architecture -A Quantitative Approach,2,Computer Architecture - A quantitative approach (4rd edition , Chinese Version) 白跃彬等译 , 电子工业出版社, 教材,3,第1章 计算机设计基础 第2章 指令级并行及其开发 第3章 指令级并行性的限制 第4章 多处理器和线程级并行 第5章 存储器层次结构设计 第6章 外存系统（ Storage Systems） 附录A 流水线：基础和中级概念 附录B 指令系统原理与实例 附录C 存储器层次
2、结构回顾,教材内容,4,课程内容,第1章 计算机设计基础 附录B 指令系统原理与实例 附录A 流水线：基础和中级概念，流水线模型机 第2章 指令级并行及其开发 附录C 存储器层次结构回顾 第5章 存储器层次结构设计 第4章 多处理器和线程级并行,5,目标：,学习计算机性能评价、量化分析与设计的基本方法 掌握现代单核微处理器设计采用的主要方法和技术： 流水线CPU的设计与实现 指令级并行技术 Cache（性能优化措施）与虚拟存储器 了解多处理器、多核、多计算机系统结构,6, 参考教材与成绩构成,1李亚民 .计算机组成与系统结构 .清华大学出版社 2徐洁等 . 计算机系统结构 . 中国铁道出版社
3、3 郑纬民、汤志忠. 计算机系统结构（第2版）. 清华大学出版社. 2007年 4张晨曦等 .计算机体系结构 .高等教育出版社,期末笔试（55%）平时作业（10%）半期考试（10） 课程设计（10%）+实验（15）,7,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 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 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,8,1.1 引言,计算机的历史,生活中食物链: 大鱼吃小鱼,9,PC,Work- Stat
4、ion 1980s-2000s,Mini- Computer 1970s,Mainframe 1960s,Mini- Supercomputer 1970s,Supercomputer 1970s,Massively Parallel Processors 1980s,Server 2000s,计算机的食物链,10,计算机食物链,11,惊人的性能改进,2006年，500$计算机（更高性能、更多内存和磁盘） | 1985年 1,000,000 $ 计算机,25% /year,52%/year,20%/year,12,结论,25%（1978-1986）: 性能增长主要依赖实现技术的进步 52%（1
5、986-2002）: RISC 出现, 性能增长依赖两方面：系统结构革新；实现技术的进步 20%（2004-2006）: 功耗、指令级并行 ILP开发的限制、存储器时延，因此其后性能提升手段出现了以下趋势： 更快的单核处理器= 单芯片多处理器 ILP = 线程级并行 TLP 、数据级并行 DLP 隐含在编译器和硬件的硬件级并行处理 = 显示的程序级并行,13,处理能力 新的应用,14,为什么60年计算机有如此的改进？,两个原因: 构建计算机的实现技术发展 集成电路IC 存储部件(包括RAM 和 DISK) 外部设备 计算机结构设计的改进 Simplecomplexmost complex si
6、mplecomplexmost complex 时快时慢 很多技术被淘汰 实现技术提供了结构改进的基础,15,微处理器的4代（4个十年）,1970年代的十年 “Microprocessors” - 可编程控制器（Programmable Controller） - 单片微处理器（Single-Chip Microprocessors） 个人计算机，Personal Computers (PC) 1980年代的十年 “Quantitative Architecture” - 指令流水线（Instruction Pipelining） - 高速Cache存储器（Fast Cache Memorie
7、s） - 编译器的考虑（Compiler Considerations） 工作站，Workstations 1990年代的十年 “Instruction-Level Parallelism” - 超标量处理器，Superscalar Processors - 推测执行微结构，Speculative Microarchitectures - 静态/动态指令调度，Aggressive Code Scheduling 低成本桌面超级计算，Low-Cost Desktop Supercomputing 2000年代的十年 “Thread-level/Data-level parallelism”,16
8、,out-of-order execution，简称：OOO，也称乱序执行,8086,286,386,486,影响计算机系统结构的因素,17,Technology,Programming,Languages,Operating,Systems,History,Applications,Interface Design (ISA),Measurement 60% p.y. 1990-1996 100 p.y. 1996-2004 ; 30% p.y. after 2004 容量： about 60% per year 网络 带宽: 10Mb 100Mb 1Gb 10 years 5 years,
9、设计者常常为下一代实现技术进行设计。,75,特别注意,经验法则（A rule of thumb） 成本减少速度与密度增加速度成比例 技术阈值（Technology thresholds）：对设计有重大影响 实现技术在持续改进到阈值，就会使设计发生飞跃 例如：1980年代末，单芯片可集成百万只晶体管，使得一级Cache可以与CPU集成在一个芯片上。,76,性能趋势： 带宽改进优于 时延,带宽/吞吐量 : 在给定时间完成的工作总量 时延/响应时间: 一个事件从开始到完成的时间,经验法则（Rule of thumb） 带宽增加速度与时延平方改进速度成比例,77,性能趋势: 带宽改进优于时延,78,微
10、处理器的性能里程碑,79,集成电路 技术挑战,集成电路特征:特征尺寸 (feature size） 10 microns in 1971 0.18microns in 2001 0.09 microns in 2006 65nm is underway 经验法则: 晶体管性能改进与特征尺寸减少成线性关系。 集成电路密度改进既是机会也是挑战： 纳米效应：特征尺寸减少连线缩短单位长度的电阻和电容增加 信号延迟增大（与电阻和电容的乘积成正比） 导线信号延迟-主要的设计限制，与工艺有关,80,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 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 1.
11、4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,81,1.5 集成电路功耗的趋势,功耗对芯片的规模也提出了挑战 第1个微处理器: 1/10watt - 2GHz P4: 135watt 技术挑战： 分配功率 散热 避免过热点,82,Pentium 4 Processor,August 27, 2003 3.2 GHz core 55 Million 0.13 transistors 1249 SPECint2000,386 Processor,May 1986 1
12、6 MHz core 275,000 1.5 transistors 1.2 SPECint2000,17 Years 200 x 200 x/11x 1000 x,晶体管数量：以下P4是386的200倍,83,性能与面积之间的关系,功率利用率下降,84,两个概念,动态功率: 开关晶体管产生的功耗 Power dynamic = *Capacitive load * Voltage2 * Frequency switched Energy dynamic = Capacitive load * Voltage2 静态功率: 晶体管在关闭时漏电产生的功耗 Power static = curre
13、nt static * Voltage,85,经验法则,电压减少10% 频率减少10% 功率减少30% 性能减少 10%,Rule of Thumb,86,带有电压调节的双核,Area = 1 Voltage = 1 Freq = 1 Power = 1 Perf = 1,Area = 2 Voltage = 0.85 Freq = 0.85 Power = 1 Perf = 1.8,A 15% Reduction In Voltage Yields,SINGLE CORE,DUAL CORE,经验法则,87,对于多核，每瓦提供更多性能,C1,C4,C2,C3,Small core,Big core,Cache,Cache,1,2,3,4,1,2,1,1,2,3,4,2,3,4,功率,性能,多核有更高的功率利用率 功耗 与 面积成正比 单线程性能与面积增加倍数的一半成正比,功率,性能,
