第一講簡介課程名稱：微處理器設計主要教材：計算機系統(tǒng)結構：一種定量的方法鄭緯民等譯，清華大學出版社計算機組成和設計:硬件/軟件接口（第二版）鄭緯民等譯，清華大學出版社一、微處理器的發(fā)展工藝的進步促進微處理器飛速發(fā)展IntelPentium4結果極大的增強了計算機提供給用戶的功能IBMPower-2(1993年時性能最高的工作站）CRAYY-MP(1988年時最快的巨型機）浮點性能不相上下，定點性能IBM…更高價格：IBM…不及C…的1/10以微處理器為基礎的計算機在整個計算機領域占據(jù)了統(tǒng)治地位由邏輯電路或門陣列制造的小型機被用微處理器制造的服務器取代大型機由流行的微處理器組成的多處理器取代

多核集成電路飛速發(fā)展應用年代2003200420052006200720082009光刻尺寸（μm）0.100.090.080.070.650.570.05DRAM（位/片）1G1G1G2G2G4G4GDRAM芯片尺寸（mm2）1391108212297131104處理器集成度（百萬晶體管/片）439553697878110613931756ASIC集成度（百萬晶體管/片）810102012861620204125713239芯片工藝水平和規(guī)模的發(fā)展[ITRS03]

微處理器和存儲器速度增長二、計算機設計者的任務面臨著非常復雜的任務：對一臺新的計算機而言，首先要判斷哪些特征是最重要的，然后，在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高計算機設計者的任務功能需求分析軟件和硬件的權衡注意機器的生命力功能需求分析應用領域軟件兼容操作系統(tǒng)工業(yè)標準功能需求分析-1、應用領域計算機的不同應用領域決定了不同計算機的設計目標。專用機系統(tǒng)，一般強調(diào)計算機在處理特定應用時，必須具有很高的性能；在通用機領域中，需要注意機器在許多應用領域性能的平衡。功能需求分析-2、軟件兼容軟件兼容的程度決定了可用于新機器的現(xiàn)有軟件的數(shù)量。如果希望將機器設計成在高級語言級別兼容的，那么，雖然設計人員在設計機器時，能夠具有較大的靈活性，但是為了支持這些高級語言，就必須設計新的。如果希望做到在目標程序或二進制級別上的兼容，則其必然結果是機器的指令系統(tǒng)已被完全確定，這樣機器設計人員的設計靈活性就會很小，但卻可使已有的軟件和應用程序不加改變地在新機器上運行。功能需求分析-3、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的實現(xiàn)需要計算機系統(tǒng)在多個方面提供必要的支持地址空間的大小是支持操作系統(tǒng)的一個非常重要的因素，它很可能最終變成限制機器應用的根本原因。現(xiàn)代操作系統(tǒng)還要求計算機系統(tǒng)在存儲管理上提供支持。中斷和程序重起對機器性能也有一定影響，因此在設計機器時，應考慮不同的中斷和自陷處理策略，對硬件和操作系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，認真考慮對處理環(huán)境切換提供必要的支持。功能需求分析-4、工業(yè)標準設計標準和已有的一些工業(yè)標準兼容，往往也是系統(tǒng)設計人員不可忽視的一種重要的功能需求。浮點標準：IEEE、DEC、IBMetc.總線標準：VME、Futureetc.計算機設計者的任務功能需求分析軟件和硬件的權衡注意機器的生命力軟件和硬件的權衡在確定了功能需求之后，機器設計人員就可以開始對設計方案進行優(yōu)化。在一定的評價標準的基礎上，經(jīng)過分析比較，選出其中最令人滿意的一種設計方案。通常的評價標識成本和性能。對設計進行優(yōu)化的一個核心問題是如何進行軟件、硬件功能的合理劃分。軟件和硬件的權衡邏輯上，軟件和硬件等效。軟件的優(yōu)點：易于糾錯易于設計易于升級硬件的優(yōu)點：提高機器的速度。軟件和硬件的權衡在設計過程中，為了一些特殊需要，必須提供必要的硬件支持。必須考慮設計復雜度計算機設計者的任務功能需求分析軟件和硬件的權衡注意機器的生命力注意機器的生命力一個成功的體系結構應該對硬件技術、軟件技術和應用特征的變化都有較強的適應能力。這要求機器設計人員必須密切注意計算機應用和計算機技術的發(fā)展趨勢注意機器的生命力在設計時充分考慮各種技術和條件變化的潛力十分重要，例如IC制造工藝的發(fā)展趨勢。在開始設計一種計算機之前，必須對希望使用的一些關鍵器件和技術的現(xiàn)狀和發(fā)展情況有一個定量的認識。上述基數(shù)的發(fā)展并不是連續(xù)的，往往表現(xiàn)出一定的階躍性。注意機器的生命力不能忽視軟件和編程語言的發(fā)展趨勢。軟件發(fā)展的一個重要趨勢是程序和使用的數(shù)據(jù)所需的存儲空間不斷增加。程序所需存儲空間大小平均每年增長1.5-2倍。從計算機的歷史來看，地址空間需求的增長通常是一個指令系統(tǒng)結構被淘汰的主要原因。注意機器的生命力—編譯技術軟件發(fā)展的一個重要結果是匯編語言被高級語言所替代。編譯技術的發(fā)展以及體系結構和編譯相互支持是產(chǎn)生這種結果的根本原因。由于編譯器已成為用戶和機器之間的基本界面。所以機器設計人員必須要了解編譯技術及其發(fā)展趨勢。編程方式的根本改變也會要求體系結構作相應的改變，必須考慮對編程模式提供支持。和編譯技術相比，一個新的編程模式出現(xiàn)很慢；編譯技術每年都在改進，而編程語言大約每十年才會發(fā)生一次重大改變。計算機系統(tǒng)性能評價評價和報告計算機性能X的執(zhí)行速度是Y的n倍:評價計算機性能的主要標準MIPS(millioninstructionpersecond)MFLOPS(millionfloatingoperationspersecond)基準測試程序性能評價-MIPSMIPS依賴于指令集，所以用MIPS來比較指令集不同的機器的性能好壞很不準確在同一臺機器上，MIPS因程序不同而變化，有時是很大的MIPS可能與性能相反性能評價-MFLOPSMFLOPS取決于機器和程序。所以只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能?；鶞蕼y試程序真實的程序核心測試程序人們嘗試從真實的程序中提取出一些小而關鍵的程序段用于評價計算機的性能小型基準測試程序合成基準程序計算機設計的定量準則大概率事件原則（加快經(jīng)常性時間的速度）Amdahl定律CPU性能公式大概率事件原則計算機設計中一個最重要、最普遍的原則和罕見事件相比，更應該注意經(jīng)常出現(xiàn)的事件。改變常見事件的處理速度更加有助于提高機器的性能。計算機設計的定量準則大概率事件原則（加快經(jīng)常性時間的速度）Amdahl定律CPU性能公式Amdahl定律Amdahl定律可用于分析、計算計算機某些部分的改進對機器整體性能的提高Amdahl定律指出采用一些快速執(zhí)行的模塊，對計算機整體性能的改進程度受約于該模塊可被使用的時間與總時間的比值。Amdahl定律可采用特殊技術產(chǎn)生的加速比來表示。Amdahl定律通過使用某種較快的執(zhí)行方式所獲得的性能提高，受可使用這種較快執(zhí)行方式的部分所占的比例的限制。決定加速比的因素在原有的計算機上，能被