常用性能评价指标执行时间CPUTime峰值速度Peak

《现代微处理器—90分钟简介》学习报告-蒋林洋

常用性能评价指标：执行时间（CPU Time）、峰值速度（Peak Performance）、负载（load）开销（overhead）、利用率（utilization ratio）、饱和性能（saturate performance）、带宽（bandwidth）、延迟（latency）、吞吐率（throughout）、加速比（speedup）、Amdahi 定律（amdahi law）、效率（efficiency）、基准测试（benchmark）、响应时间（response time）等等

1、CISC计算机指令集结构的功能设计

目标：增强指令功能，减少指令的指令条数，以提高系统性能

面向目标程序的优化，面向高级语言和编译器的优化

对大量的目标程序机器执行情况进行统计分析，找出使用频度高，执行时间长的指令或指令串

对于那些使用频度高的指令，用硬件加快其执行，对于那些使用频度高的指令串，用一条新的指令来代替它

2、RISC计算机指令结构的功能设计

通过简化指令系统，用最高效的方法实现最常用的指令

充分发挥流水线的效率，减少CPI

硬件方面：硬布线控制逻辑，减少指令和寻址方式的种类，使用固定格式，采用

Load/Store，指令执行过程中设置多级流水线。

软件方面：十分强调优化编译的作用

1、流水线技术

（一）流水线技术要点

流水线技术并不能提高单个任务的执行效率，它可以提高整个系统的吞吐率

流水线中的瓶颈——最慢的那一段

多个任务同时执行，但使用不同的资源

其潜在的加速比＝流水线的级数

流水段所需时间不均衡将降低加速比

流水线存在装入时间和排空时间，使得加速比降低

由于存在相关问题，会导致流水线停顿

（二）充分利用数据通路

当前指令执行时，启动下一条指令

（三）性能受限于花费时间最长的段

解决办法：

串联：将最慢段进一步划分

并联：增加部件

（四）更深的流水线、超流水

目的：可以让处理器跑在更高的主频下，处理器在每秒内完成的指令数目会更多。

（五）多发射、超标量

目的：并发执行多个指令，每条指令都由其分配到的功能单元负责

（六）指令依赖与延时

后果：较深流水线的处理器会被插入更多的气泡，相互依赖的指令不能并行执行，没办法多发射了，处理器效率低。

（七）分支与分支预测

背景：指令中存在如条件等指令，所以必须等到条件分支指令抵达执行级才能最终确定，但对于较深流水线处理器而言，这就需要好多个时钟周期了，这样会使处理器效率变低。

解决：编译器可能可以在分支指令处做一些标志，从而高速处理器应该走哪条路。

这被称为静态分支预测。

或者让处理器可以在运行时做出猜测。

还有就是通过基于断言的分支消除技术，消除分支。

2、指令调度、寄存器重命名与乱序执行

背景：分支和长延时指令会造成流水线气泡，可以让空出来的时钟做些其他的工作，在某条指令等待的时候，对程序中其他指令进行乱序处理，使之可以执行。

目的：充分利用处理器的功能单元。

解决：一种方法是通过硬件在运行时实现乱序。

另外一种实现乱序的方法是：通过编译器优化代码，并重新排布指令。

这里出现了一个问题？OoO的硬件可以挖掘更多的指令级并行度，因为很多事儿只有在运行时才能被触发（无法事先预计，比如cache缺失事件）。另一方面，简单的顺序处理器设计可以实现更小、功耗更低的核，这就使得我们可以在相同大小的硅片上放上更多的顺序核。那么问题来了，您是愿意用个4的nb核呢，还是愿意用8个简单的顺序核呢？

3、多线程、超线程与多核

背景：通过超标量执行方式挖掘指令级并行度的方法并不太好，因为绝大多数普通应用中没有那么多细粒度并行度可供挖掘。如果在被执行的程序中不存在额外的独立指令，则可

能存在另外一类独立指令的来源：即其他执行的程序（或者同一个程序中的其他线程）。

核心的想法：利用有用的指令填充流水线中的气泡，但这一次，有用的指令不在来自于同一个程序中，而是来自于并行执行的多个线程（注意这些线程都在同一个处理器核上运行）。因此，从系统来看SMT处理器就像是多个独立的处理器，与真多核系统非常类似。

4、设计更多的核还是更宽的核?

非常宽的超标量处理器设计相对于芯片面积和时钟频率而言，scaling效果非常差。其中最主要的问题是：复杂的多发射dispatch逻辑与发射宽度之间存在2次方，甚至指数型scaling。此外，非常宽的超标量设计需要较高的多端口寄存器和cache。上述这些因素不仅会增加面积，还会在电路级大幅增加互联线的数目，从而导致处理器的时钟频率上不去。因此一款10发射的处理器事实上会比2个5发射的处理器面积更大、速度更慢。从电路设计的角度来看，20发射的SMT处理器基本不可行。

5、存储系统

存储系统主要讲cache(提高访存速度)和虚存技术（提高主存容量）。

Cache与虚存技术的区别

目的不同：Cache是为了提高访存速度，虚存技术是为了提高存储容量

替换的控制者不同：Cache失效由硬件处理，虚存技术的页失效通常由OS处理

一般页失效开销很大，因此替换算法非常重要。

存储层次结构

（一）cache查找方法

查找时，只需比较 tag，index无需参加比较

主存地址格式

Cache结构中主存地址格式：Cache Tag放在高位段，Cache Index放中间，字节选择位放在低位段

Cache Tag Cache Index Block offset

Cache标记块地址块内地址

Cache地址格式

块地址Block offset

（二）Cache失效

如果程序执行时，所需块由于容量不足，不能全部调入Cache，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。

可能会发生“抖动”现象