第1章-2-计算机设计基本原理-计算机系统结构.ppt

* Amdahl’s 定律 采用更快的执行方式后所获得的系统性能提高，与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 Example * Amdahl’s 定律 增加时钟频率不会影响存储器访问时间 使用浮点处理部件不会加速整数ALU操作 * Amdahl定律定义了一台计算机系统采用某种改进措施后 所取得的加速比： 加速比反映了使用改进措施后完成一个任务比不使用改进措施完成同一任务加快的比率。 * Amdahl定律中，加速比与两个因素有关： a. 改进比例 Fe 如前例，如果一个任务在原来机器上的执行时间为100s，其中10s的执行时间可以使用改进措施，那么Fe就是10／100=1/10。 b. 改进加速比 Se 如前例，原来程序的可改进部分执行时间为10s，而改进后这一部分只需要1s，那么Se就是10／1。 Fe = Se = * 我们可以得出如下结论： （1）改进后整个任务的执行时间Tn为： 其中T0为改进前的整个任务的执行时间。 上式中（1-Fe）表示不可改进部分。 （2）改进后整个系统的加速比Sn为: 显然，当Fe为0，即没有可改进部分时，Sn为1。 当 时，则 ，因此，可获取性能改善极限值受Fe值的约束。 提高改进比例Fe或改进加速比Se，都可以提高Sn ， 但是Fe对Sn的影响更大。 * 下面举例子来说明Amdahl定律的应用。 【例1-1】 假定新的处理器采用了改进措施，新处理器处理Web应用程序的运行速度是原来处理器的10倍，同时假定新处理器有40%的时间用于计算，另外60%的时间用于I/O操作。那么改进性能后总的加速比是多少？ 解：由题意可知：Fe = 40% = 0.4 ， Se = 10 * 【例1-2】 试分析采用哪种设计方案实现求浮点数平方根FPSRQ对系统性能提高更大。假定FPSRQ操作占原来整个测试程序执行时间的20%。 一种设计方案：增加专门的FPSRQ硬件，可以将FPSRQ操作的速度加快到10倍； 另一种设计方案：提高所有FP运算指令的执行速度，使FP指令执行速度加快为原来的1.6倍，设FP运算指令在原来总执行时间中占50%。 试比较这两种设计方案。 * 解：对这两种设计方案的加速比分别进行计算。 增加专门FPSRQ硬件方案：Fe = 20% = 0.2 ， Se = 10 提高所有FP运算指令速度方案：Fe = 50% = 0.5 ，Se = 1.6 根据结果判断，提高所有FP运算指令速度的方案要好一些，这是由于该测试程序中浮点操作所占比重较大。 上例需要知道新的FPSQR硬件方法和改进FP操作的时间，直接测量这些时间是比较困难。因此，也使用后面介绍的 CPU性能公式来选择设计方案。 * CPU 性能公式 处理器性能的“铁律”： 要直接测量使用新改进措施的改进时间是困难的。 CPU 性能公式 * 计算CPU 时间 CPU time = Instruction count ? CPI ? Clock cycle time Or Architecture -- Implementation -- Realization Compiler Designer Processor Designer Chip Designer * 相关因素 CPU 性能取决于3个特征： clock cycle (or rate) ( CCT ) clock cycles per instruction ( CPI ) instruction count. ( IC ) 一个困难：只改变一个特征而不影响其他特征是困难的。如， 采用RISC结构，除了影响IC，也会影响CPI。 Inst Count CPI Clock Rate Program X Compiler X (X) Inst. Set.