微处理器结构02

1、微处理器的性能与成本本课内容n性能的定义与评测n集成电路的成本软件的表示层次为什么要评估性能n对于用户，可以对比不同的产品，从而选择适合自己的产品n对于设计者，可以评价不同的设计、实现方案的优劣，找出影响性能的主要因素，从而改进设计n对于销售计算机的商家性能的定义性能的定义计算机性能的定义n响应时间(Response Time): 从开始任务到任务结束所需要的时间n吞吐率(Throughput): 给定时间内所完成的任务量响应时间与吞吐率的关系评估性能 衡量计算机性能（速度）最确切、最可信的标准是时间时间！我们这里所关心的是CPU时间，即完成特定任务所需的CPU执行时间。时钟周期对于给定的程序

2、：执行时间 = 所需的时钟周期数 x 时钟周期 = 所需的时钟周期数 / 时钟频率设计者经常面临着时钟周期数多少与时钟周期长短的折衷问题。对于指定的处理器体系结构，采用不同的组织，通常减少时钟周期数的方案会导致时钟周期加长，反之亦然。时钟周期对于给定的程序：时钟周期数 = 所需的指令数 x 平均每条指令的时钟周 期数 = 不同类型的指令执行所需的时钟周期数不同，例如乘法指令比加法指令所需的周期数多，浮点运算指令比整数运算指令所需的周期数多。平均每条指令的时钟周数，Cycles per instruction简称CPI。CPU执行时间对于给定的程序：执行时间 = 所需的指令数 x CPI x 时

3、钟周期其它不全面的性能度量方式n机器代码大小由于精确度量程序执行时间非常困难，人们试图找到不需测量执行时间的性能度量方法，这些方法都只在特定的情况下有意义，并不能全面地、真实地反映计算机的性能。其它不全面的性能度量方式nMIPS (million instructions per second)从表面上看，越快的机器MIPS值越大；MIPS使用起来十分直观，易理解，但MIPS并不能全面反映性能，有时甚至与真实情况相反！其它不全面的性能度量方式（实例）其它不全面的性能度量方式nNative MIPSnPeak MIPSn 基准程序(benchmark)基准程序(benchmark): 是挑选出来

4、专门用于评价计算机性能的程序。好的基准程序应该能涵盖计算机实际应用中各个主要应用领域的程序的特征，使得测试结果能反映实际应用中的计算机的实际性能。基准程序(benchmark)基准程序(benchmark)1988年，EE Times与SUN, MIPS, HP, Apollo, DEC联合成立SPEC, 寻找一组标准的程序，输入数据，度量方法来公正地衡量不同系统的性能。SPEC1989年第一版，10个程序，用一个数值来表示性能（相对于VAX11/780）SPEC92, 6个整数，14个浮点程序SPEC95, 8个整数，10个浮点程序一般3-5年更新一个版本SPEC2000, SPEC2006

5、SPEC1989年第一版SPECCPU性能的严格定义条件：无任何优化编译选项CPU性能 = SPEC分值 =（运行SPEC程序时间/参考时间）参考时间:由SPEC提供的运行SPEC程序的时间性能改进性能改进Amdahls Law例：假设一个程序在一台机器上运行需要100秒，其中乘法指令执行占80秒，那么，为了使执行性能提高到原来的4倍，需要将乘法指令性能改进多少倍呢？如果要使执行性能提高到原来的5倍呢？Amdahls LawAmdahl定律： 执行时间改进部分执行时间改进后=-+ 执行时间未改进部分 改进比率加速比受程序中没有改进部分的制约。或者解释为：总的性能提高取决于所改进部分在整体中所占

6、的比例大小。平均人月330；超过 $10M+Source:InternationalBusinessStrategies不断不断增加的开发时间和成本增加的开发时间和成本NetworkingWirelessGraphicsApplication161326346Staff months$5.7M$9.0M$10.7MCost12M12M30MTransistors0.130.130.13GeometryR&D费用成本(cost)TTM (Time-To-Market)哈工大微电子中心研制的Lilac 500 thousand gates die area 4x4mm2 329 pins operates at 133MHz 哈工大微电子中心研制的LilacPLLPCIIUFPUJTAGMCPeripheralTAG RAMCACHE RAMRegisterFile(DPRAM)Figure 5 LILAC die Layout Summary处理器评价n高性能高性能（High-Performance）n高能效高能效（Power-Efficiency）n可缩放性可缩放