Zedi Wang
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Computer Science

Computer Architecture

LavoisierUpdated Aug 4, 2025

文章目录

2024-2025 计算机体系结构

绪论

课程基本信息

课程定位与目标

课程内容结构

八大章节：

  1. 绪论
  2. 基准评测集
  3. 高性能计算机体系结构
  4. 高性能处理器并行计算技术
  5. 高性能计算机存储层次
  6. 高性能计算机互连网络
  7. 异构计算体系结构
  8. 领域专用体系结构

量化设计与分析基础

重点内容：

  1. 计算机技术发展的关键转折点
  2. 丹纳德缩放定律(Dennard Scaling)及其终结
  3. 摩尔定律及其面临的挑战
  4. 单处理器性能发展历程

难点：

  1. 理解处理器性能增长放缓的深层原因
  2. 掌握能耗墙、内存墙等技术瓶颈的本质

关键概念：

  1. 摩尔定律：

    • 定义：晶体管数量每18-24个月翻倍，成本减半
    • 现状：增长开始放缓
    • 面临挑战：物理极限、成本效益、散热问题

  2. 丹纳德缩放定律：

    • 核心内容：功率密度随面积保持不变
    • 终结时间：2004年
    • 影响：推动了多核处理器的发展

高性能计算机发展史

重点内容：

  1. 高性能计算机四个发展阶段
  2. 中国超级计算机发展历程
  3. 超级计算机应用领域

实例分析：

重要里程碑机器：

  1. CDC 6600 (1964)：第一台真正的超级计算机
  2. Cray-1 (1976)：首次使用向量处理器架构
  3. 天河一号(2009)：中国首台千万亿次超级计算机
  4. 神威·太湖之光(2016)：首个使用国产芯片的世界最快超算

超级计算机应用领域：

  1. 科学计算：气候环境、天文物理、材料化工
  2. 工程应用：航空航天、石油勘探、工程设计
  3. 新兴领域：智慧城市、人工智能、精准医疗

重要图表位置标注：

  1. 超级计算机性能发展曲线：P139
  2. CPU性能发展趋势图：P140
  3. 超算应用领域分布图：P145

关键结论：

  1. “并行”是实现超级计算的唯一途径
  2. 未来发展趋势：
    • E级向Z级计算发展
    • 与AI、大数据融合
    • 探索非冯·诺依曼架构

基准评测集

计算机性能基础

性能指标

重点：CPU性能评估方法
性能度量标准：

  1. MIPS (每秒百万指令数)

    MIPS = Instructions Number/(Execution Time × 10^6)

  2. FLOPS (每秒浮点运算次数)

    MFLOPS = Float Instructions Number/(Execution Time × 10^6)

并行系统性能评估

重点概念：

  1. 加速比(Speedup)：
    S = Ts/Tp
    其中：
  1. 效率(Efficiency)：
    E = S/p
    其中p为处理器数量
难点：Amdahl定律
  1. 核心公式：
    S = 1/(f + (1-f)/p)
    其中：
  1. 关键结论：
Gustafson定律
  1. 公式：
    S' = p - f(p-1)
  2. 特点：

基准测试程序

主要类型：

  1. 商用基准测试(TPC系列)：
  1. SPEC测试程序：
  1. HPC特定测试：

实例分析：

以龙芯3A5000处理器为例：

SPEC CPU2006测试结果：
- SPECint2006：27.87
- SPECfp2006：30.29

性能分析表明：

性能提升方法

主要策略：

  1. 利用并行性
  2. 遵循局部性原理
  3. 关注常见情况优化

并行算法设计步骤：

  1. 任务划分
  2. 通信分析
  3. 任务组合
  4. 处理器映射

重要图表位置：

高性能计算机的体系结构

超级计算机硬件组成

五大核心子系统

  1. 计算阵列：
  1. 存储阵列：
  1. 服务阵列：
  1. 互连通信子系统：
  1. 监控诊断子系统：

计算机体系结构分类

Flynn分类法

重点概念：
  1. 指令流(I)：执行的指令序列
  2. 数据流(D)：被处理的数据序列
  3. 多倍性(M)：同时处理的指令/数据数量
四种基本类型：
  1. SISD(单指令流单数据流)：
  1. SIMD(单指令流多数据流)：
  1. MISD(多指令流单数据流)：
  1. MIMD(多指令流多数据流)：
实例分析
Cray-1向量计算机结构：

MIMD细分类型

A. 共享内存系统
  1. 集中共享内存(CSM/SMP/UMA)：
  1. 分布式共享内存(DSM/NUMA)：
B. 分布式内存系统
  1. MPP(大规模并行处理器)：
  1. COW(工作站集群)：

非冯诺依曼体系结构

主要类型：

数据流计算机特点：

重要图表位置标注：

高性能处理器的并行计算技术-指令级并行

指令级并行基础

并行性类型

  1. 数据级并行(DLP)
  1. 任务级并行(TLP)

硬件利用并行性的四种方式：

A. 指令级并行(ILP)：
B. 向量架构和GPU：
C. 线程级并行：
D. 请求级并行：

指令级并行的挑战

三种基本冒险：

A. 结构冒险：
B. 数据冒险：

  1. RAW(Read After Write)：

    I1: add r1,r2,r3
    I2: sub r4,r1,r3  // 等待r1

  2. WAR(Write After Read)：

    I1: sub r4,r1,r3
    I2: add r1,r2,r3  // 必须等I1读完r1

  3. WAW(Write After Write)：

    I1: sub r1,r4,r3
    I2: add r1,r2,r3  // 写入次序不能颠倒
C. 控制冒险：

解决数据冒险的基本方法：

A. 转发（Forward）：

循环展开优化

重点概念：

  1. 循环展开目的：
  1. 基本步骤：
实例分析：
原始循环：
Loop: fld f0,0(x1)
      fadd.d f4,f0,f2
      fsd f4,0(x1)
      addi x1,x1,-8
      bne x1,x2,Loop

展开优化后：

Loop: fld f0,0(x1)
      fld f6,8(x1)
      fld f10,16(x1)
      fld f14,24(x1)
      fadd.d f4,f0,f2
      fadd.d f8,f6,f2
      fadd.d f12,f0,f2
      fadd.d f16,f14,f2
      fsd f4,0(x1)
      fsd f8,8(x1)
      addi x1,x1,32
      fsd f12,16(x1)
      bne x1,x2,Loop
      fsd f16,24(x1)

优化效果：

分支预测

基本概念与重要性

重点：

分支预测技术分类

A. 静态预测：
  1. 基于编译时信息
  2. 典型方法：
B. 动态预测：
  1. 简单的1位预测器：
  1. 2位预测器：
  1. 相关预测器（两级预测器）：
  1. 竞赛预测器（Tournament Predictor）：

分支目标缓存(BTB)

重要组成：
  1. 基本结构：

  1. 工作流程：

    if (PC in BTB) {
        next_PC = predicted_target;
    } else {
        next_PC = PC + 4;
    }

  2. 失效代价：

    BTB失效类型   预测   实际   惩罚周期
    命中          跳转   跳转   0
    命中          跳转   不跳转 2
    未命中        -      跳转   2
    未命中        -      不跳转 0

推测执行

重排序缓冲区(ROB)

重点概念：
  1. ROB的基本功能：
  1. ROB条目构成：
重要机制：
  1. 指令发射：
  1. 指令执行：
  1. 写回结果：
  1. 提交过程：

实例分析

示例代码：
L.D F6,34(R2)
L.D F2,45(R3)
MUL.D F0,F2,F4
SUB.D F8,F6,F2
DIV.D F10,F0,F6
ADD.D F6,F8,F2
执行过程：
  1. Load指令:
  1. 计算指令：
  1. 分支预测错误处理：

【重要图表位置】

超标量(Superscalar)处理器

基本原理

  1. 核心特征：
  1. 关键组件：

主要挑战

A. 结构复杂度：
B. 性能瓶颈：
  1. 指令发射带宽限制
  2. 功能部件数量限制
  3. 转发(Forward)复杂度增加

实例分析

双发射MIPS处理器示例：

Loop: L.D F0,0(R1)
      ADD.D F4,F0,F2
      S.D F4,0(R1)
      DADDIU R1,R1,#-8
      BNE R1,R2,Loop

执行效率：

超长指令字(VLIW)

基本特征：

  1. 编译时调度：
  1. 指令包格式：

优缺点分析

优点：
  1. 硬件简单
  2. 执行效率高
  3. 功耗低
缺点：
  1. 代码膨胀
  2. 可移植性差
  3. Lock-step限制
解决方案：
  1. 代码压缩
  2. 动态调度
  3. 目标代码转换

同时多线程(SMT)

基本概念：

实现方式：

A. 细粒度多线程：
B. 粗粒度多线程：
C. 同时多线程(SMT)：

ILP限制因素

理想处理器假设：

  1. 无限虚拟寄存器
  2. 完美分支预测
  3. 完美值预测
  4. 无限缓存

实际限制：

A. 指令窗口大小：
B. 分支预测：
C. 寄存器数量：
重要图表位置：
# elective# CA