镜音铃公式服常用性能评价指标执行时间CPUTime峰值速度Peak

2020年10月17日发(作者：谭维维)
《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（bandwidt h）、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
LoadSto re，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
disp atch
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