計算機系統(tǒng)結構(2012年春)-基本概念CPI阿姆達爾定律

1、計算機系統(tǒng)結構（2012年春）-基本概念：CPI/阿姆達爾定律山東大學計算機學院 戴鴻君 計算機設計專題CPI阿姆達爾定律Li-p11至Li-p132022/9/CPU的性能將程序執(zhí)行的時間進行分解計算機工作的時鐘頻率計算機系統(tǒng)中與實現(xiàn)技術和工藝有關的因素。單位是MHz(f)。 總時鐘周期數(shù) 程序執(zhí)行的cpu時間 :CPU時間 = 總時鐘周期數(shù) / 時鐘頻率2022/9/CPI指令時鐘數(shù) (Cycles Per Instruction)一個與計算機體系結構有關的參數(shù)CPI = 總時鐘周期數(shù) / ICIC：程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)?？侰PU時間 = CPI IC / 時鐘頻率時鐘頻率：反映了

2、計算機實現(xiàn)技術、生產工藝和計算機組織。CPI：反映了計算機實現(xiàn)技術、計算機指令集的結構和計算機組織。IC：反映了計算機指令集的結構和編譯技術。2022/9/CPU時間CPI = 總時鐘周期數(shù) /指令數(shù)總CPU時間 = CPI 指令數(shù)/ 時鐘頻率總CPU時間 = (CPIi Ii) / 時鐘頻率Ii ：在程序中第i種指令出現(xiàn)的次數(shù)CPI = (CPIi Ii) /指令數(shù)2022/9/5定量指標反映程序的運行速度MIPS(Million Instructions Per Second,每秒百萬條指令數(shù))MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Sec

3、ond,每秒百萬次浮點運算)計算機系統(tǒng)定量設計原理三條基本原則和方法哈夫曼（Huffman）壓縮定理對于大概率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權和資源使用權，以獲得全局的最優(yōu)結果。這是計算機設計中最重要也最廣泛采用的設計準則。使經常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統(tǒng)的性能。Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于可使用這種較快執(zhí)行方式的時間所占的比例。Amdahl定律加速比系統(tǒng)加速比= =系統(tǒng)加速比依賴于兩個因素： 可改進比例fnew：可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占的比例，它總是小于等于的。例如: 一個需運行60秒的程序中有20秒的運算可以加速，那么該比例就

4、是20/60。Amdahl定律部件加速比new：可改進部分改進以后的性能提高，一般情況下它是大于 。例如: 系統(tǒng)改進后執(zhí)行程序，其中可改進部分花費2秒的時間，而改進前該部分需花費5秒，則性能提高為5/2。 總執(zhí)行時間改進后 = 不可改進部分的執(zhí)行時間 + 可改進部分改進后的執(zhí)行時間Amdahl定律總執(zhí)行時間改進后=(1-可改進比例fnew)總執(zhí)行時間改進前+ = (1-可改進比例fnew) + 總執(zhí)行時間改進前 Amdahl定律系統(tǒng)加速比為改進前與改進后總執(zhí)行時間之比:系統(tǒng)加速比Sp = = Amdahl定律2022/9/Amdahl定律Amdahl定律：性能遞減規(guī)則如果僅僅對計算機中的一部分

5、做性能改進，則改進越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。 推論：如果只針對整個任務的一部分進行優(yōu)化，那么所獲得的加速比不大于1/(1-fnew)。一個“好”的計算機系統(tǒng)具有高性價比的計算機系統(tǒng)是一個帶寬平衡的系統(tǒng)，而不是看它使用的某些部件的性能 。計算機系統(tǒng)定量設計原理三條基本原則和方法程序的局部性原理程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據兩部分。程序的時間局部性：程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性：程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。存儲器體系的構成就是以訪問的局部性原理為基礎的問題假設我們考慮條件分支指

6、令的兩種不同設計方法如下：(1) CPU1：通過比較指令設置條件碼，然后測試條件碼進行分支；(2)CPU2：在分支指令中包括比較過程。在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個時鐘周期而所有其它指令占用1個時鐘周期，對于CPU1，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每個分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占20%。由于CPU1在分支時不需要比較，因此假設它的時鐘周期時間比CPU2快1.25倍。哪一個CPU更快？如果CPU1的時鐘周期時間僅僅比CPU2快1.1倍，哪一個CPU更快呢？ 問題用一臺40MHZ處理機執(zhí)行標準測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應所需的時鐘周期數(shù)如下：求有效CPI、MIPS

7、速率和程序的執(zhí)行時間。指令類型指令數(shù)時鐘周期數(shù)整數(shù)運算450001數(shù)據傳送320002浮點150002控制傳送80002問題如果FP操作的比例為25%，F(xiàn)P操作的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI為1.33；FPSQR操作的比例為2%， FPSQR的CPI為20。FPSQL操作屬于FP操作的一部分。假設有兩種設計方案，分別把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI減為2。試利用CPU性能公式比較這兩種設計方案哪一個更好(只改變CPI而時鐘頻率和指令條數(shù)保持不變)。問題假設將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍,但該部件的原處理時間僅為整個運行時間的40%，采用加快措施后能使整個系統(tǒng)

8、的性能提高多少？問題2005年11月考試題目在計算機系統(tǒng)中，某一功能的處理時間為整個系統(tǒng)運行時間的50%，若使該功能的處理速度加快10倍，根據Amdahl定律，這樣做可以使整個系統(tǒng)的性能提高_(43)_倍。若要使整個系統(tǒng)的性能提高1.5倍，則該功能的處理速度應加快_(44)_倍。（43）A. 1.6 B. 1.7 C. 1.8 D. 1.9（44）A. 3 B. 5 C. 7 D. 8問題如果某一計算任務用向量方式求解比用標量方式求解要快20倍，稱可用標量方式求解部分所花費時間占總的時間的百分比為可向量化百分比請畫出加速比與可向量化比例兩者之間關系的曲線為獲得采用向量方式最大加速比的半值（即1

9、0）時，所需可向量化的百分比為多少？某程序可向量化部分70%。向量處理速度加倍（即40）和向量工作方式的百分比增大多少使性能得到同樣提高？問題某臺計算機只有Load/Store 指令能對存儲器進行讀/寫操作，其它指令只對寄存器進行操作。根據程序跟蹤實驗結果，已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如下：指令類型 指令所占比例 CPI 算邏指令 43 1 Load指令 21 2 Store指令 12 2 轉移指令 24 2 (1) 求上述情況下的平均CPI。(2) 假設程序有M條指令組成。算邏運算中25%的指令的兩個操作數(shù)中的一個已在寄存器中，另一個必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指令從存儲器取到寄存器。

10、因此有人建議增加另一種算邏指令，其特點是一個操作數(shù)取自寄存器，另一個操作數(shù)取自存儲器，即寄存器存儲器類型，假設這種指令的CPI等于2。同時，轉移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。問題假設在一臺40MHZ處理機上運行200,000條指令的目標代碼，程序主要由四種指令組成。根據程序跟蹤實驗結果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：指令類型 CPI 指令混合比算術和邏輯 1 60%高速緩存命中的加載/存儲 2 18%轉移 4 12%高速存儲缺失的存儲器訪問 8 10% (a)計算在單處理機上用上述跟蹤數(shù)據運行程序的平均CPI。(b)根據(a)所得的CPI,計算相應的MIPS速率。(

11、c)求20000條代碼的運行時間。 采用哪種實現(xiàn)技術來求浮點數(shù)平方根的操作對系統(tǒng)的性能影響較大。一種實現(xiàn)方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍,假設FPSQR操作占整個測試程序執(zhí)行時間的20%。另一種實現(xiàn)方法是使所有浮點數(shù)據指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，還假設FP指令占整個執(zhí)行時間的50%。請比較這兩種設計方案。問題2022/9/開放式問答題搜索目前最新的一款PC上使用的CPU的性能參數(shù)，以體系結構的視角進行描述從摩爾定律、阿姆達定律出發(fā)，討論此款CPU相對于以往CPU性能提升的原因。2022/9/吉納阿姆達爾IBM的“敵人”，IT界定創(chuàng)業(yè)者1952年,IBM 704引入了變址技術和浮點數(shù)1955年底,辭職1960年9月他重返IBM公司，在360系列機的開發(fā)中負責系統(tǒng)體系結構的設計，“兼容”1970年，離職創(chuàng)辦阿姆達公司，“插接式兼容”1980年，他創(chuàng)辦了Trilogy公司1988年創(chuàng)辦Andor公司2022/9/ 美文欣賞幸福語錄 遭遇苦難的時候，別急著為自己抱不平。有的禮物，常以遭難的面容現(xiàn)身。 威脅看似好用，但以力服人，都只是一是有效。 記憶有美化的