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1、北京大学微处理器研究开发中心（第一讲）2005年2月21日程 旭引论高等计算机系统结构高等计算机系统结构北京大学微处理器研究开发中心主要教材：主讲教师：主要教材：主讲教师： 程旭北京大学微处理器研究开发中心佟冬北京大学微处理器研究开发中心程旭北京大学微处理器研究开发中心佟冬北京大学微处理器研究开发中心 授课时间：授课时间：每周一 下午 14:40每周一 下午 14:4017:3017:30http:/http:/1) Computer Architecture: A Quantitative Approach; Third Edition, 2002，Patterson and Henness
2、y2)Parallel Computer Architecture: A Hardware/Software Approach1999, Culler and Singh教材与教师教材与教师北京大学微处理器研究开发中心“高等计算机系统结构高等计算机系统结构”的教学目标的教学目标学习和把握将决定二十一世纪计算机具体形态的设 计技术、机器结构、工艺要素、评价方法等技术工艺编程语言操作系统学习和把握将决定二十一世纪计算机具体形态的设 计技术、机器结构、工艺要素、评价方法等技术工艺编程语言操作系统历史历史应用应用 软硬件界面设计软硬件界面设计 (ISA)测度 和 评测测度 和 评测并行性并行性计算机系
3、统结构 指令系统设计 组成 硬件北京大学微处理器研究开发中心 计算机应用需要什么？计算机应用需要什么？ 操作系统需要那些功能支持?操作系统需要那些功能支持? 优化编译可以利用和实现哪 些功能?优化编译可以利用和实现哪 些功能? 我们能够建造什么样的机器?我们能够建造什么样的机器? 今后的计算机将会怎样?今后的计算机将会怎样?计算机系统结构研究人员 必须具有宽厚的专业知识!计算机系统结构研究人员 必须具有宽厚的专业知识!计算机基础计算机基础数字逻辑数字逻辑计算机组织与结构计算机组织与结构操作系统操作系统编译技术编译技术数据结构 应用基础数据结构 应用基础 C语言编程语言编程存储管理 调度 并发存
4、储管理 调度 并发代码生成 优化代码生成 优化基本逻辑单元 处理器基础知识基本逻辑单元 处理器基础知识本课程在教学安排中的地位本课程在教学安排中的地位高等计算机体系结构高等计算机体系结构如何实现！具体细节-知其然！1.分析+评测知其所以然！2.并行计算机系统结构引论北京大学微处理器研究开发中心18981898- -19981998大鱼吃小鱼大鱼吃小鱼自然界中的生物链自然界中的生物链北京大学微处理器研究开发中心个人计算机个人计算机北京大学微处理器研究开发中心Cray 1 Located at The Computer Museum History Center, Moffett FieldCra
5、y 1 Located at The Computer Museum History Center, Moffett Field超级计算机超级计算机北京大学微处理器研究开发中心Minisupercomputers:Alliant, Convex, etc.Minisupercomputers:Alliant, Convex, etc.小巨型机小巨型机北京大学微处理器研究开发中心Iliac IV: first SIMD c 1970s阵列计算机Iliac IV: first SIMD c 1970s阵列计算机北京大学微处理器研究开发中心Thinking Machines: CM1 64 Pred
6、icates32 entry ALAT, Exception DeferralSpeculationRegistersBranch PredictionMultilevel 4-stage Prediction Hierarchy北京大学微处理器研究开发中心存储器容量(单片DRAM)存储器容量(单片DRAM)sizeYearBits10001000010000010000001000000010000000010000000001970197519801985199019952000yearsize(Mb)cyc time 19800.0625250 ns 19830.25220 ns 198
7、61190 ns 19894165 ns 199216145 ns 199664120 ns 2000256100 ns北京大学微处理器研究开发中心技术工艺发展趋势（概要）技术工艺发展趋势（概要）容量速度容量速度 (反应时间反应时间)Logic 每三年两倍每三年两倍每三年两倍每三年两倍DRAM 每三年四倍每十年两倍每三年四倍每十年两倍Disk每三年四倍每十年两倍每三年四倍每十年两倍北京大学微处理器研究开发中心微处理器频率的发展趋势微处理器频率的发展趋势386486Pentium(R)Pentium Pro (R)Pentium(R) IIMPC750604+604601, 60321264S2
8、126421164A2116421064A21066101001,00010,0001987198919911993199519971999200120032005Mhz110100Gate Delays/ ClockIntelIBM Power PCDECGate delays /clockProcessor freq scales by 2X per generation? Frequency doubles each generation ? Number of gates/clock reduce by 25%北京大学微处理器研究开发中心处理器性能发展趋势处理器性能发展趋势Microp
9、rocessorsMinicomputersMainframesSupercomputers年代年代0.1110100100019651970197519801985199019952000性能北京大学微处理器研究开发中心YearPe rf or ma nce0204060801001201987198819891990199119921993DEC AXP 3000HP 9000/750IBM RS6000/540MIPS M2000MIPS M/120Sun-4/260IBM Power 2/5901.54X/yr1.35X/yr处理器性能处理器性能北京大学微处理器研究开发中心020040
10、06008001000120087 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97DEC Alpha 21264/600DEC Alpha 5/500DEC Alpha 5/300DEC Alpha 4/266 IBM POWER 100DEC AXP/ 500HP 9000/ 750Sun4 /260IBM RS/ 6000MIPS M/ 120MIPS M/ 20001.58倍倍/年年处理器性能改进 (以前每年1.35倍，现在1.55倍)处理器性能改进 (以前每年1.35倍，现在1.55倍)北京大学微处理器研究开发中心性能改进趋势（概要）性能改进趋势（概要）工作站性能大约每年改
11、进50%（以Spec分数评测）工作站性能大约每年改进50%（以Spec分数评测）（每十八月翻一番）（每十八月翻一番）性能价格比大约每年改进70%性能价格比大约每年改进70%北京大学微处理器研究开发中心National (USA) Semiconductor Technology National (USA) Semiconductor Technology Roadmap (size) 1997 versionRoadmap (size) 1997 version110100100010000199519982001200420072010Memory size (Mbytes/chip) 但
12、是只有10%的实 际指令是浮点指令浮点指令的性能改进了两倍; 但是只有10%的实 际指令是浮点指令Speedupoverall=ExTimenew=10.95=1.053ExTimeoldx (0.9 + .1/2) = 0.95 x ExTimeold北京大学微处理器研究开发中心(millions) of Instructions per second - MIPS (millions) of (F.P.) operations per second - MFLOP/sCycles per second (clock rate)Megabytes per second每月的响应 每秒的操作每
13、月的响应 每秒的操作编译器编译器编程语言编程语言应用程序应用程序数据通路 控制数据通路 控制晶体管导线管脚晶体管导线管脚ISA功能部件功能部件性能的计量性能的计量北京大学微处理器研究开发中心影响CPU性能的几个方面影响CPU性能的几个方面指令总数CPI时钟频率指令总数CPI时钟频率程序编译器指令系统体系结构组成工艺技术程序编译器指令系统体系结构组成工艺技术周期秒数 指令时钟数 程序指令数 程序秒数时间周期秒数 指令时钟数 程序指令数 程序秒数时间=CPUXXXXXXXX北京大学微处理器研究开发中心CPICPI“指令频率指令频率” (“instruction frequency”)哪里是瓶颈(时
14、间不够用), 就对那里的资源 增加投资!哪里是瓶颈(时间不够用), 就对那里的资源 增加投资!每条指令的平均周期数每条指令的平均周期数 (Average cycles per instruction)指令总数时钟周期数指令总数时钟频率时间指令总数时钟周期数指令总数时钟频率时间=CPUCPI = =n1jjjFCPICPI = =n1jjjICPICPU时钟周期时间时间时钟周期时间时间指令总数指令总数j jIF = =这里这里北京大学微处理器研究开发中心SPEC: System Performance Evaluation CooperativeSPEC: System Performance Evaluation Cooperative第一版 1989第一版 1989 10个程序(6Fp+4Int)产生单一数值(SPECmarks)10个程序(6Fp+4Int)产生单一数值(SPECmarks)第二版 1992第二版 1992 SPECInt92 (6Int) 和 SPECfp92 (14Fp)SPECInt92 (6Int) 和 SPECfp92 (14
