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Chapter 1: Fundamentals of Computer Design

一、基本知识

  1. RISC：Reduced Instruction Set Computer

  2. Moore’s Law（摩尔定律）

    集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

  3. Amdahl‘s Law（阿姆达尔定律）

    \(Speedup\\=\frac{Execution\space Time_{old}}{Execution\space Time_{new}}\\=\frac 1{(1-Fraction_{enhanced})+\frac{Fraction_{enhanced}}{Speedup_{enhanced}}}\)

    • 推论：如果只改善任务的一小部分，那么对整个任务的提升至多不超过（1 - 该部分在整个任务的占比）的倒数

二、计算机的类型

  1. PMD：Personal Mobile Device
  2. Desktop
  3. Server
  4. Cluster（集群）/ WSC（仓储式计算机）
  5. Embedded（嵌入式）/ IoT Computer（物联网计算机）

三、并行 Parallelism

1. 应用并行和硬件并行

  1. Application Parallelism
    • DLP（Data-Level Parallelism，数据级并行）
      • 对于同一项任务，同时处理多个数据（例如：排序、矩阵乘法的并行算法）
    • TLP（Task-Level Parallelism，任务级并行）
      • 使用同一组数据，同时处理多项任务（例如：将一组数据输入两个处理器，处理器 A 执行排序，处理器 B 执行求和运算）
  2. Hardware Parallelism
    • ILP（Instruction-Level Parallelism，指令级并行）
      • Pipelining 技术：将一条指令分为多步，以使处理器能同时执行多条指令
      • 推测执行：通过预加载任务，避免执行时产生延迟（例如：分支预测）
    • Vector Architectures, GPU and Multimedia Instruction Sets
      • 利用数据级并行
      • 并行地将一个指令应用到一个数据集（例如： GPU 重复矩阵运算）
    • TLP（Thread-Level Parallelism，线程级并行）
      • 应用于允许并行线程之间交互的紧密耦合硬件模型中（例如多核处理器）
    • RLP（Request-Level Parallelism，请求级并行）
      • 利用编程人员或操作系统指定的大部分解耦任务之间的并行

2. 并行的 Flynn 分类

Flynn（人名）按照指令流、数据流的数目，将并行分为四类（Single/Multiple Instruction/Data stream）：

  1. SISD（单指令流，单数据流）
    • 单处理器（uniprocessor）
    • 利用指令级并行
  2. SIMD（单指令流，多数据流）
    • 多个处理器使用不同的数据流执行相同的指令
    • 每个处理器都有数据存储器，但只有一个指令存储器和控制处理器
    • 利用指令级、数据级并行
  3. MISD（多指令流，单数据流）
    • 无对应的商用处理器
  4. MIMD（多指令流，多数据流）
    • 利用指令级、数据级、任务级并行

四、计算机体系结构 Computer Architecture

1. 计算机体系结构的组成内容

  1. Instruction Set Architecture（ISA，指令集架构）
  2. Organization / Microarchitecture（组成 / 微架构）
  3. Hardware（硬件）

2. 指令集架构（ISA）的七个维度

  1. Class of ISA
    • 大多 ISA 具有通用寄存器架构（General-Purpose Register Architectures），即操作数（Operands）既可以是寄存器又可以是内存地址
    • ISA 的分类
      • Register-Memory ISA：很多指令都可以访问内存（例如：80x86）
      • Load-Store ISA：只有 load 和 store 指令可以访问内存（例如：RISC-V）
  2. Memory Addressing（内存地址）
    • 所有 ISA 都采用字节地址（Byte addressing），但不一定要求地址对齐
    • 地址对齐（Address Alignment）的定义
      • 若对象的大小为 s 字节
      • 其内存地址为 A
      • 若 A mod s = 0，则该对象是地址对齐的
    • 访问一个没有地址对齐的对象，需要执行两次内存访问

图：地址对齐的示例

图：地址对齐的示例

  1. Addressing Modes（寻址模式）
  2. Types and sizes of operands（操作数的类型和大小）
  3. Operations（操作）
    • Data Transfer
    • Arithmetic / Logical
    • Control
    • Floating Point
  4. Control Flow Instructions（控制流指令）
    • Conditional Branches
    • Unconditional Jumps
    • Procedure Calls
    • Returns
  5. Encoding an ISA（指令的编码）
    • 分为定长（例如：RISC-V）和可变长（例如：80x86）

五、科技发展

1. 计算机的技术实现

  1. 集成电路（Integrated Circuit Logic Technology）
  2. 半导体 DRAM（Semiconductor DRAM）
  3. 半导体闪存（Semiconductor Flash）
  4. 磁盘（Magnetic Disk Technology）
  5. 网络（Network Technology）

2. 带宽与延迟

  1. 定义
    • Bandwidth / Throughput（带宽）：在一定时间内进行的工作总量
    • Latency / Response Time（延迟）：同一项任务从开始到结束的用时长度
  2. 晶体管（Transistor）和线路（Wire）的影响
    • 特征尺寸（Feature Size）：晶体管或导线在 X 轴或 Y 轴方向的最小尺寸
    • 特征尺寸越小，线路变得更短，但是电阻和电容变得更糟，因此延迟会变得更长

3. 功耗与能耗

  1. 定义
    • 功率/功耗（Power）：单位时间的能耗（ 1 Watt = 1 J/s）
    • 能耗（Energy）：平均功率 × 运行时间

  2. 动态能耗（Dynamic Energy）：开关晶体管的能耗，是主要的耗能源

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  3. 静态功耗（Static Power）

    • 产生原因：晶体管在关闭状态下存在泄漏电流，易失性存储器（SRAM等）需要通电以维持存储的数据
    • 静态功耗与器件数目呈正比： \(功耗_{静态}\propto 电流_{静态}\times 电压\)
  4. 分析
    • 对于一项固定任务，降低时钟频率可以降低功率，但不会降低能耗（因为降低时钟频率会增大运行时间）
    • 减小电压可以显著降低功率和能耗
  5. 提升能效表现的方法
    • 以逸待劳：关闭非活动模块的时钟，以降低能耗和动态功耗
    • 动态电压—频率缩放（Dynamic Voltage-Frequency Scaling，DVFS）：在活跃程度较低的期间，降低时钟频率和电压
    • 为典型情景进行特别设计
    • 超频（Overclocking）：在较短的时间内，芯片以更高的时钟频率进行工作，直到其温度上升到一定值后恢复正常时钟频率
    • 竞相暂停（Race-to-halt）：由于处理器只是系统整体能耗中的一部分，所以如果使用一个速度较快但能效较低的处理器，从而更快地完成任务，并使系统的其他部分能够进入睡眠模式，可能有助于降低整体能耗

4. 集成电路的成本

  1. 晶片（Dies）由晶圆（Wafer）切割而成

  2. 计算集成电路的成本

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    • N 表示加工 - 复杂度因子（Process-Complexity Factor），用于测量制造难度
    • 需考虑良率（Yield）的影响

六、可靠性 Dependability

1. 故障与恢复

  • 基础设施供应商提供服务水平协议（Service Level Agreements，SLA）或服务水平目标（Service Level Objectives，SLO）来保证他们的网络或电力服务是可靠的。因此我们可以用 SLA 来判断系统处于运行还是停机状态。可以将服务状态分为：
    1. 服务实现（Service Accomplishment）：按照 SLA 的说明提供服务
    2. 服务中断（Service Interruption）：提供的协议与 SLA 说明的不同
  • 状态 1 → 2 的转变称为故障（Failures），2 → 1 的转变称为恢复（Restorations）

2. 可靠性与可用性

  1. 模块可靠性（Module Reliability）：从一个参考的初始时刻开始，对连续的服务实现的衡量
    • 平均故障时间（Mean Time to Failure, MTTF）：它的倒数即为故障率，可用 FIT（Failure in Time）表示
    • 平均修复时间（Mean Time to Repair, MTTR）
    • 平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures, MTBF) = MTTF + MTTR

  2. 模块可用性（Module Availability）：对实现和中断两种状态交替的服务实现的衡量，计算公式为：

    \[ Availability=\frac{MTTF}{MTTF+MTTR} \]

3. Fault、Error、Failure

  • Fault 是设计的瑕疵
  • 当 Fault 发生时，它会产生一个或多个潜在的 Error
  • 当 Error 实际影响交付的服务时，就会发生 Failure

示例：

假设一个系统由以下器件组成：

  • 10 个硬盘，每个硬盘的 MTTF 为 \(10^6\) 小时
  • 1 个 ATA 控制器，MTTF 为 500000 小时
  • 1 个电源，MTTF 为 200000 小时

求整个系统的 MTTF

解：

\(总计故障率=10\times\frac1{10^6}+\frac1{500000}+\frac1{200000}\\MTTF=\frac1{总计故障率}\)

七、RAID & Stripe Data（分布式存储）

详见“计算机组成”笔记

八、性能的评估

1. Benchmarks

  • 基准测试（Benchmarks）：用于评估计算机性能的程序
  • 基准测试套件（Benchmark Suite）：一组基准测试应用
    • 其中一个最成功的标准基准测试套件是 SPEC（标准性能评估公司 , Standard Performance Evaluation Corporation）

不同计算机类型的基准测试：

  • 台式机：
    • 处理器密集型（Processor-intensive)/ 图形密集型（Graphics-intensive）基准测试
    • 整数 / 浮点数基准测试
  • 服务器：
    • 面向处理器吞吐量的基准测试
    • SPECrate：用于测量请求级并行
    • 关于 I/O：文件服务器基准测试（SPECSFS）、Java 服务器基准测试
    • 事务处理 (TP) 基准测试：测量系统处理由数据库访问和更新构成的事务的能力

2. 性能测试结果的分析与总结

  1. SPECRatio：基准计算机的执行时间 / 被测计算机的执行时间，有以下等式成立：

    • 与基准计算机进行比较时：

    \(SPEC\_Ratio=\frac{运行时间_{基准计算机}}{运行时间_{A计算机}}=\frac{Performance_{A计算机}}{Performance_{基准计算机}}\)

    • 与另一条计算机进行比较时：

    \(SPEC\_Ratio=\frac{运行时间{B计算机}}{运行时间_{A计算机}}=\frac{Performance_{A计算机}}{Performance_{B计算机}}\)

  2. 由于 SPECRatio 是比率而非绝对执行时间，因此计算平均值时应采用几何平均值（Geometric Mean），即：

    \(几何平均=\sqrt[n]{\prod_{i=1}^n{sample_i}}\)

    其中， \(sample_i\) 表示第 i 个样本的 SPECRatio

    从而保证 A 与 B 的SPECRatio 的几何平均值之比，等于对 A 与 B 执行套件中所有基准测试所得性能比的几何平均值，而与基准计算机的选择无关