西安交大計算机系统与应用复习.docxVIP

程序访问的局部性原理 局部访问性 程序总是趋向于重用最近使用过的指令和数据 在程序的执行过程中，CPU访问内存中的指令和数据总是趋向于成簇或成块的。 程序中包含大量的循环体和子程序，会对这组指令重复访问 程序中包含大量的表数据和数组，涉及对同一数据块的重复访问 经验法则 90%的执行时间花在10%的代码上 局部访问性包括： 时间局部性：最近访问过的指令或数据不久的将来还可能被访问 空间局部性：被访问子附近的子，重用的概率大 这个原理是设计计算机存储系统的理论基础 指令局部性强于数据局部性 优化处理经常性事件 在进行计算机设计或者项目设计时，我们必须优化处理经常性事件 事件经常发生 优化经常性事件可以提高整个系统性能 优化处理非经常性事件没有意义 怎么优化？ 并行处理，更快的算法 用更快的组件 提高多少性能？ Amdahl定律 Amdahl定律 Amdahl定律 通过使用某种更快速的执行方式而获得的性能改进 受限于这种快速方式的使用时间在总执行时间中的比例 它定义了由于使用特殊技术所获得的加速比的大小 加速比 一种比值 采用改进措施后整个任务的性能/没有采用改进措施整个任务的性能 未采用改进措施时整个任务的执行时间/采用改进措施后整个任务的执行时间 Amdahl定律算加速比 改进后整个任务的执行时间： 改进后整个系统的加速比： 加速比和Fe=0的关系 Fe=0, Sn=1，没有可改进的地方 Se=∞, Sn=1/(1-Fe) 可获得的性能改善的极限值也受可改进部分所占的比例限制 例子：假定想改进用于Web服务的处理器。新的处理器在计算Web服务应用时，比原来处理器的速度快10倍。假定原处理器用于计算的时间占总时间的40%，等待I/O的时间占60%，则改进后总的加速比是多少？ 收益递减规律：只改进计算的某一部分而获得的加速比的增量随改进的增加而逐渐减少。 如果只能对任务的一部分进行改进，对整个任务加速不会超过1/（1-Fe） 例子：假定浮点平方根（EPSQR）运算占图形测试程序执行时间的20%，一种建议是改进浮点平方根运算的硬件，使平方根运算的速度提高到10倍；另一种方法是加快图形处理器中所有浮点指令，使FP指令的执行速度提高到1.6倍。浮点指令占整个应用程序执行时间的一半。请比较这两种方案。 处理器的性能公式 CPU时间 = 程序的CPU周期数 * 时钟周期 CPU时间 = 程序的CPU周期数 / 时钟频率 CPU时间 = CPI * IC * 时钟周期 CPU时间 = CPI * IC / 时钟频率 CPI：每条指令的平均时钟周期数 IPC：每周期执行的指令数 IC：指令数 CPU性能依赖于三个要素：时钟周期或频率；每条指令所花的时钟周期数；指令条数。 可靠性和可用性 通常用平均无故障时间（MTTF）表示一种可靠性 MTTF：平均无故障时间 故障率：1/MTTF 每10亿运行小时发生的故障数 FIT：实时故障数 MTBF：平均故障间隔时间 MTBF=MTTF+MTTR MTTR：平均修复时间 集合的故障率为各模块的故障率之和 可用性：服务完成状态相对于服务完成和服务中断间隔的一种度量 模块可用性=MTTF/MTTF+MTTR 例子：假定一个磁盘子系统的构成和各自的MTTF如下 （1）10个磁盘，每个磁盘的MTTF为1000000小时 （2）一个SCSI控制器，MTTF为500000小时 （3）一个电源，MTTF为200000小时 （4）一个风扇，MTTF为200000小时 （5）一组SCSI线，MTTF为1000000小时；假定寿命是指数分布的，且故障是独立的。计算整个系统的MTTF 解决故障问题的主要方法是采用冗余技术 例子：假定再增加一个电源，组件的寿命指数分布，故障间不相关。如果电源故障的平均修复时间是24小时，计算冗余电源组的可靠性 （小时） 芯片功耗 动态功率： 静态功率： 电池泄露功耗占总功耗的25% 动态能量： 降低时钟频率可以减少动态功率，但不能减少动态能耗 芯片成本限制晶体管数量增加和体积减小 Cache系统组成 Cache设计理论基础 局部访问性 90%的执行时间花在10%的代码上 将这10%代码装入Cache中 低一级的Cache总是比高一级的 Cache容量大一个量级，速度慢一个量级 上一级的Cache里存放下一级Cache的部分内容 Cache和CPU之间传送单位是字，Cache和Cache、主存和Cache之间传送单位是块或行 命中：字传给CPU 未中：CPU从低一级Cache载入字，包含字的块装入所有高级Cache，可能会发生替换 Cache系统的性能参数 平均访问时间： 或者： H：M1（Cache）的命中率 T1：访问M1的时间 T2：访问M2（主存）的时间 三级存储结构： 访问效率：二