Ch1~2 导论计算机的演变和性能¶

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计算机发展简史¶

第一代：真空管
第二代：晶体管
第三代：集成电路
第三代以后：超大规模集成电路

IAS 计算机¶

1945 年，冯·诺依曼提出的计算机体系结构

摩尔定律¶

集成电路的集成度每年翻一倍，后修正为 18 个月
影响：
- 集成度增加的同时单芯片成本几乎不变；
- 高集成度，电路短，速度快；
- 体积、能耗、冷却需求小；
- 片外互联少，可靠性高。

微处理器速度¶

芯片制造技术¶

当代处理器内置技术：
- 流水线
- 分支预测
- 超标量执行
- 数据流分析
- 推测执行

性能平衡¶

问题 1：处理器比主存快太多
1. 提高一次性读取数据位数；
2. 改进 DRAM 接口（使用 cache）；
3. 减少主存访问频度（多级 cache）；
4. 提高互联带宽（更高速的总线，改进总线层次）
问题 2：频繁操作、高吞吐量的 IO 与处理器间的数据传输
1. 提高 IO 设备速度；
2. 减少 IO 操作频度（使用 cache）；
3. 改进 IO 接口（DMA）；
4. 改进互联结构（高速总线、改变互联结构）

改进芯片组成和体系结构¶

提高处理器速度的方法¶

提高硬件速度：缩小逻辑门尺寸，提高时钟频率（CLK）
- 但是时钟频率和逻辑密度的增加会造成：功率增加、RC 延迟增长、内存延迟和吞吐量滞后更严重
增加处理器与主存间高速缓存的大小和速度
改变体系结构：更复杂的指令执行逻辑，并行、流水线、超标量
- 上述方法收益递减，因此目前新方向是多核

计算机性能评估¶

时钟速度（也叫时钟频率）：传统
- 缺点：不同指令需要的时钟周期不同；有流水线的处理器在相同时钟频率下执行的指令更多
CPI（程序每条机器指令所需的平均时间周期数）：
- 通常不同类指令的 CPI 不同
- \(I_c\)：规定时间内执行的机器指令总条数
- \(CPI_i\)，\(I_i\)：给定程序中 i 类指令的 CPI 和执行条数
- \(f\)：时钟频率，\(\tau=\frac{1}{f}\)
- 有：
  
  \[ \begin{aligned} CPI&=\frac{\sum_{i=1}^{n}(CPI_i×I_i)}{I_c}\\ T&=I_c×CPI×τ \end{aligned} \]
MIPS 速率（每秒执行的百万条指令的数量）：
- \[ MIPS=\frac{I_c}{T\times 10^6}=\frac{f}{CPI\times 10^6} \]
- 注：关于 CPI 与 MIPS 计算，课本 p43 有例题
- MFLOPS 速率（每秒执行的百万次浮点运算的数量）：
- 是由于 CISC 相比 RISC，一条指令耗时更长但功能更多，用 MIPS 可能不合适
- \[ MFLOPS=\frac{\text{程序中执行的浮点操作数量}}{\text{执行时间}\times 10^6} \]
SPEC 速度度量：
- 以基准程序 i 在参照系统上的运行时间作为基准程序 i 的参考运行时间 \(Tref_i\)
- 以基准程序 i 在被测系统上的运行时间作为基准程序 i 的参考运行时间 \(Tsut_i\)
- \[ r_i=\frac{Tref_i}{Tsut_i} \]
  - 是参考时间/被测时间，速度更快的机器比值更高
    - \[ r_G=(\prod_{i=1}^{n}r_i)^{\frac{1}{n}} \]
  - 作几何平均，作为被测机器的 SPEC 速度度量
  - SPEC 频率度量：
    - 测量执行多个任务的吞吐量，多个基准程序的拷贝同时执行
    - \[ r_i=\frac{N×Tref_i}{Tsut_i} \]
- \(Tref_i\) 为基准程序 i 在参照系统上运行的时间，N 是同时执行的程序数量
- \(Tsut_i\) 为 N 个基准程序在被测系统上从开始执行到全部完成所需时间

Amdahl 定律：衡量多个处理器的加速比¶

\[ \text{加速比}=\frac{\text{增强前的性能(执行时间)}}{\text{增强后的性能(执行时间)}}= \frac{\text{程序在单处理器上的执行时间}}{\text{程序在 N 个并行处理器上的执行时间}} \]

令：\(f\) 为程序中可以无限并行执行的部分，\(1-f\) 为程序中固定只能串行执行的部分，\(T\) 为程序在单处理器上的执行时间，\(N\) 为并行系统的处理器数，则：

\[ Speedup=\frac{T}{T(1-f)+\frac{Tf}{N}}=\frac{1}{(1-f)+\frac{f}{N}} \]

结论：

\(f\) 非常小时并行处理意义不大；
\[ \lim_{N→∞}Speedup=\frac{1}{1-f} \]

总线数据传输率¶

\[ \text{总线数据传输率}=\frac{\text{一段时间内传输的数据量}}{\text{这段时间}} \]

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