微处理器设计第一讲概述

课程名称：微处理器设计•主要教材：–计算机系统结构：一种定量的方法郑纬民等译，清华大学出版社–计算机组成和设计:硬件/软件接口（第二版）郑纬民等译，清华大学出版社一、微处理器的发展•工艺的进步促进微处理器飞速发展IntelPentium4结果•极大的增强了计算机提供给用户的功能–IBMPower-2(1993年时性能最高的工作站）–CRAYY-MP(1988年时最快的巨型机）–浮点性能不相上下，定点性能IBM…更高–价格：IBM…不及C…的1/10•以微处理器为基础的计算机在整个计算机领域占据了统治地位–由逻辑电路或门阵列制造的小型机被用微处理器制造的服务器取代–大型机由流行的微处理器组成的多处理器取代多核集成电路飞速发展应用年代2003200420052006200720082009光刻尺寸（μm）0.100.090.080.070.650.570.05DRAM（位/片）1G1G1G2G2G4G4GDRAM芯片尺寸（mm2）1391108212297131104处理器集成度（百万晶体管/片）439553697878110613931756ASIC集成度（百万晶体管/片）810102012861620204125713239芯片工艺水平和规模的发展[ITRS03]微处理器和存储器速度增长二、计算机设计者的任务•面临着非常复杂的任务：对一台新的计算机而言，首先要判断哪些特征是最重要的，然后，在不超出成本的范围内力求性能最高计算机设计者的任务•功能需求分析•软件和硬件的权衡•注意机器的生命力功能需求分析•应用领域•软件兼容•操作系统•工业标准功能需求分析-1、应用领域•计算机的不同应用领域决定了不同计算机的设计目标。–专用机系统，一般强调计算机在处理特定应用时，必须具有很高的性能；–在通用机领域中，需要注意机器在许多应用领域性能的平衡。功能需求分析-2、软件兼容•软件兼容的程度决定了可用于新机器的现有软件的数量。如果希望将机器设计成在高级语言级别兼容的，那么，虽然设计人员在设计机器时，能够具有较大的灵活性，但是为了支持这些高级语言，就必须设计新的。如果希望做到在目标程序或二进制级别上的兼容，则其必然结果是机器的指令系统已被完全确定，这样机器设计人员的设计灵活性就会很小，但却可使已有的软件和应用程序不加改变地在新机器上运行。功能需求分析-3、操作系统•操作系统的实现需要计算机系统在多个方面提供必要的支持–地址空间的大小是支持操作系统的一个非常重要的因素，它很可能最终变成限制机器应用的根本原因。–现代操作系统还要求计算机系统在存储管理上提供支持。–中断和程序重起对机器性能也有一定影响，因此在设计机器时，应考虑不同的中断和自陷处理策略，对硬件和操作系统产生不同的影响，认真考虑对处理环境切换提供必要的支持。功能需求分析-4、工业标准•设计标准和已有的一些工业标准兼容，往往也是系统设计人员不可忽视的一种重要的功能需求。–浮点标准：IEEE、DEC、IBMetc.–总线标准：VME、Futureetc.计算机设计者的任务•功能需求分析•软件和硬件的权衡•注意机器的生命力软件和硬件的权衡•在确定了功能需求之后，机器设计人员就可以开始对设计方案进行优化。在一定的评价标准的基础上，经过分析比较，选出其中最令人满意的一种设计方案。•通常的评价标识成本和性能。•对设计进行优化的一个核心问题是如何进行软件、硬件功能的合理划分。软件和硬件的权衡•逻辑上，软件和硬件等效。•软件的优点：–易于纠错–易于设计–易于升级•硬件的优点：提高机器的速度。软件和硬件的权衡•在设计过程中，为了一些特殊需要，必须提供必要的硬件支持。•必须考虑设计复杂度计算机设计者的任务•功能需求分析•软件和硬件的权衡•注意机器的生命力注意机器的生命力•一个成功的体系结构应该对硬件技术、软件技术和应用特征的变化都有较强的适应能力。这要求机器设计人员必须密切注意计算机应用和计算机技术的发展趋势注意机器的生命力•在设计时充分考虑各种技术和条件变化的潜力十分重要，例如IC制造工艺的发展趋势。在开始设计一种计算机之前，必须对希望使用的一些关键器件和技术的现状和发展情况有一个定量的认识。•上述基数的发展并不是连续的，往往表现出一定的阶跃性。注意机器的生命力•不能忽视软件和编程语言的发展趋势。–软件发展的一个重要趋势是程序和使用的数据所需的存储空间不断增加。–程序所需存储空间大小平均每年增长1.5-2倍。–从计算机的历史来看，地址空间需求的增长通常是一个指令系统结构被淘汰的主要原因。注意机器的生命力—编译技术•软件发展的一个重要结果是汇编语言被高级语言所替代。编译技术的发展以及体系结构和编译相互支持是产生这种结果的根本原因。由于编译器已成为用户和机器之间的基本界面。所以机器设计人员必须要了解编译技术及其发展趋势。•编程方式的根本改变也会要求体系结构作相应的改变，必须考虑对编程模式提供支持。和编译技术相比，一个新的编程模式出现很慢；编译技术每年都在改进，而编程语言大约每十年才会发生一次重大改变。计算机系统性能评价评价和报告计算机性能•X的执行速度是Y的n倍:nXY的执行时间的执行时间的性能的性能的性能的性能的执行时间的执行时间YXXYXYn11评价计算机性能的主要标准•MIPS(millioninstructionpersecond)•MFLOPS(millionfloatingoperationspersecond)•基准测试程序性能评价-MIPS•MIPS依赖于指令集，所以用MIPS来比较指令集不同的机器的性能好坏很不准确•在同一台机器上，MIPS因程序不同而变化，有时是很大的•MIPS可能与性能相反性能评价-MFLOPS•MFLOPS取决于机器和程序。所以只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。基准测试程序•真实的程序•核心测试程序–人们尝试从真实的程序中提取出一些小而关键的程序段用于评价计算机的性能•小型基准测试程序•合成基准程序计算机设计的定量准则•大概率事件原则（加快经常性时间的速度）•Amdahl定律•CPU性能公式大概率事件原则•计算机设计中一个最重要、最普遍的原则•和罕见事件相比，更应该注意经常出现的事件。•改变常见事件的处理速度更加有助于提高机器的性能。计算机设计的定量准则•大概率事件原则（加快经常性时间的速度）•Amdahl定律•CPU性能公式Amdahl定律•Amdahl定律可用于分析、计算计算机某些部分的改进对机器整体性能的提高•Amdahl定律指出采用一些快速执行的模块，对计算机整体性能的改进程度受约于该模块可被使用的时间与总时间的比值。•Amdahl定律可采用特殊技术产生的加速比来表示。Amdahl定律•通过使用某种较快的执行方式所获得的性能提高，受可使用这种较快执行方式的部分所占的比例的限制。个任务的时间使用增强部件时完成整整个任务的时间不使用增强部件时完成整个任务的性能不使用增强部件时完成个任务的性能使用增强部件时完成整加速比决定加速比的因素•在原有的计算机上，能被改进并增强的部分在总的执行时间中所占的比例•通过增强的执行方式所取得的改进，即如果整个程序使用了增强的执行方式，那么这个任务的执行速度会有多少提高—这个值是原来条件下程序的执行时间与使用增强功能后程序的执行时间之比假设，增加E可以加速整个任务的F部分，加速因子为S,并且这个任务的其他部分不受影响