电子科技大学计算机系统结构复习笔记（一）：概述

news2024/12/25 9:03:05

前言

重点一览

计算机分类

弗林分类法

市场分类

计算机系统结构定义

实现技术\功耗\成本的趋势\可靠性(了解)

计算机性能

性能评价指标

性能评价方法

计算机设计的量化原则

基本方法

Amdahl‘s 定律

CPU 性能公式 / 时间计算

本章小结

前言

本复习笔记基于叶老师的课堂PPT和复习提纲，供自己期末复习与学弟学妹参考用。

重点一览

计算机分类

弗林分类法

定义：基于指令流和数据流数量的计算机结构分类

内容：

SISD
- Single instruction: 在任一时钟周期只有单个指令流在CPU执行
- Single data: 在任一时钟周期只有单个数据流用作输入
- 例子: 串行计算机
MISD
- 每个处理单元用多个指令流对单个数据进行独立操作
- 单个数据流进入多个处理单元。
- 例子: 很少有这类计算机的实例
SIMD
- 例子: 适用于处理高度规整操作的问题，如图像处理
MIMD
- 各处理器执行可以是同步的或异步的，确定性的或非确定性的
- 例子: 多处理器系统

市场分类

计算机系统结构定义

原始的概念: 由程序员（机器语言）看见的（计算）系统属性，即概念性结构和功能行为，以区分数据流动和控制逻辑设计的组成及物理实现。

现在的定义: 指令集系统结构

实现技术\功耗\成本的趋势\可靠性(了解)

实现技术的趋势
- 摩尔定律: 工业界集成在一个计算机芯片上的元件数量每年翻一番。 1975年，他更新预测为每两年翻一番。
- 通常在集成电路逻辑, 半导体DRAM, 磁盘技术, 网络上进行升级, 设计者常常为下一代实现技术进行设计
- 经验法则: 成本减少速度与密度增加速度成比例; 带宽增加速度与时延平方改进速度成比例
- 技术阈值: 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
- 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
- 性能趋势: 带宽改进优于时延
功耗的趋势
- 功耗对芯片的规模也提出了挑战(分配功率散热避免过热点)
- 动态功率: 开关晶体管产生的功耗; 对于一项固定任务，降低时钟频率可以降低功率，而不会降低能耗
- 静态功率: 晶体管在关闭时漏电产生的功耗; 静态功率与器件数目成正比
成本的趋势
- 元器件成本是设计者需要考虑的一个方面
- 影响成本的主要因素: 时间, 元器件价格随着时间而下降（实现技术没有实质性改进）; 因为随着时间推移产出率不断增高。产量, 提高意味着制造效率提高; 商品, 元器件供应商之间的竞争会降低成本
- 成本的小变化可能引起意料不到的价格大增
可靠性
- 广义上包括可靠性、安全性和可用性, 用于表示系统提供给用户服务的质量
- 量化: 模块可靠性=平均无故障时间/(平均无故障时间+平均修复时间)
- 提高可靠性的方法: 冗余（Redundancy）: 时间冗余: 重复操作直到无错; 资源冗余: 配置另外的相同部件，有错时用于替代出错部件

计算机性能

性能评价指标

执行时间(响应时间，时延)
- CPU时间
  - 用户CPU时间- 花费在用户模式的时间
  - 系统CPU时间- 花费在操作系统的时间
  - 是设计者的感觉, 决定了CPU性能
- 是用户的感觉 系统性能仅有的各方都认可的性能测量指标
吞吐量：网站服务器
- 单位时间内完成的工作总量---吞吐量
- 对于很多应用，吞吐量比时延更重要：金融市场, 政府统计（人口普查）
- 通常改善了响应时间也会改善吞吐量: 处理器用更快的型号替换
- 只改善吞吐量而不改善响应时间: 如用多处理器
- 是管理员的感觉
MIPS - millions of instructions per second
- 指令数/(运行时间*1000000)
- 是商人的感觉

性能评价方法

理想的性能评估：运行随机取样的用户的程序和OS命令
不同类型的基准测试程序（benchmarks）
- 有些基准程序有迷惑性, 因为硬件和编译器的供应商或许会仅对一些程序优化他们的设计
最好的基准测试程序就是实际应用程序，因为它们反应了终端用户的需要
- SPEC—实用基准测试程序集
- 目标：保证市场有一套公平和实用的指标来区分不同的候选系统。
- 基本方法：提供基于现有应用程序的一套标准化源代码作为基准测试程序集
- SPEC性能评价
  - SPEC Mark是一个综合指标以衡量不同计算机的性能, SM越大性能越好
  - SPEC率=参考机执行时间/被测机执行时间
  - SM计算方法: N个SPEC基准程序的SPEC率的几何平均值
  - 不是绝对客观的, 可以针对基准程序刻意优化
性能与执行时间互为倒数
- 最大的性能意味着最小的执行时间
- 处理器X比Y快N倍,说明Y的执行时间是X的N倍.