【正文】 。這些真實(shí)的程序包括C編譯器、象Word那樣的文字處理軟件、象Photoshop那樣的應(yīng)用軟件。大多數(shù)情況下，用戶(hù)必須依靠其它方法和評(píng)價(jià)程序來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)器的性能，并希望這些方法能夠?yàn)樗麄冾A(yù)測(cè)新機(jī)器的性能。為測(cè)試新系統(tǒng)的性能，他只要比較他的工作負(fù)載――程序和用過(guò)的操作系統(tǒng)指令――的總執(zhí)行時(shí)間就可以了。語(yǔ)句故意被安排得會(huì)弱化編譯器優(yōu)化的效果。典型的程序不會(huì)…… Rick RichardsonClarification of Dhrystone（1988）本程序是對(duì)典型的Fortran程序進(jìn)行大量研究的結(jié)果，它體現(xiàn)了典型Fortran程序中各種指令所占的比例。在本節(jié)我們主要討論CPU性能。在現(xiàn)在的討論中，基于共用時(shí)間的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)和基于CPU時(shí)間的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)是不同的。一臺(tái)機(jī)器的系統(tǒng)代碼可能是另一臺(tái)機(jī)器的用戶(hù)代碼，再說(shuō)，如果沒(méi)有某種操作系統(tǒng)在硬件上執(zhí)行，就根本不能執(zhí)行任何程序。三分之一多的執(zhí)行時(shí)間用來(lái)等待I/O操作或其他程序執(zhí)行。）CPU時(shí)間還可以進(jìn)一步細(xì)分成執(zhí)行程序的時(shí)間（稱(chēng)為用戶(hù)CPU時(shí)間）和完成程序執(zhí)行所需的操作系統(tǒng)功能調(diào)用的時(shí)間（稱(chēng)為系統(tǒng)CPU時(shí)間）。CPU時(shí)間體現(xiàn)了這一區(qū)別，因?yàn)樗傅氖荂PU計(jì)算消耗的時(shí)間，而不包括等待I/O操作完成或運(yùn)行其他程序的時(shí)間。在多道程序同時(shí)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)中，當(dāng)一個(gè)程序等待I/O操作完成時(shí)CPU立即轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一程序，此時(shí)計(jì)算機(jī)不必使每個(gè)程序的經(jīng)過(guò)時(shí)間最短。評(píng)價(jià)性能即便是執(zhí)行時(shí)間也可以根據(jù)我們的需要賦予不同的含義。筆者的立場(chǎng)是認(rèn)為性能的永久的最可靠的衡量標(biāo)準(zhǔn)是真實(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間。出于便于理解和通用性的考慮，市場(chǎng)上一般采用幾個(gè)比較流行的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 不論我們是對(duì)吞吐率感興趣還是對(duì)響應(yīng)時(shí)間感興趣，關(guān)鍵還是時(shí)間：相同的任務(wù)，花費(fèi)的時(shí)間越少，速度越快，區(qū)別在于是單任務(wù)（響應(yīng)時(shí)間）還是多任務(wù)（吞吐率）。 因?yàn)樾阅芘c執(zhí)行時(shí)間互為倒數(shù)，所以增大性能就是減少執(zhí)行時(shí)間。在這里，“X比Y快”指的是對(duì)于給定的任務(wù)，X的響應(yīng)時(shí)間或執(zhí)行時(shí)間比Y短。一個(gè)大的數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是如何增大吞吐量——單位時(shí)間內(nèi)完成的總工作量。但對(duì)于計(jì)算中心的管理員來(lái)說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)多的機(jī)器比較快。在這一節(jié)簡(jiǎn)略地介紹了一些影響計(jì)算機(jī)成本的最重要的因素，下一節(jié)將討論性能。大多數(shù)PC機(jī)、工作站和服務(wù)器（至少包括所有的低端和中端服務(wù)器）的生產(chǎn)廠家都屬于這一范疇。在二者之間是成本性能比最優(yōu)設(shè)計(jì)。另一種極端的情況是犧牲某些性能來(lái)達(dá)到低成本計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。一種極端的情況是為了設(shè)計(jì)高性能計(jì)算機(jī)而不考慮成本。因此，開(kāi)發(fā)大型機(jī)器會(huì)給公司帶來(lái)雙重風(fēng)險(xiǎn)——銷(xiāo)量小而且開(kāi)發(fā)費(fèi)用高，這就是大型計(jì)算機(jī)的價(jià)格成本比率比小型計(jì)算機(jī)高的原因。由此可以看出，產(chǎn)品的銷(xiāo)售量和投資額度不同，額外費(fèi)用就不同。 上面的信息意味著公司可以在成本的基礎(chǔ)上附加固定比例的開(kāi)銷(xiāo)作為價(jià)格，事實(shí)上大多數(shù)公司也是這么做的。這是企業(yè)年度業(yè)務(wù)報(bào)告和全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)行的雜志上公布的，這個(gè)百分比大概不會(huì)隨時(shí)間而改變。舉個(gè)例子，如果一個(gè)公司降低價(jià)格，而產(chǎn)量卻沒(méi)有相應(yīng)幅度地增加，總的效果將是利潤(rùn)下降。如果產(chǎn)量增加得足夠多，成本可能會(huì)下降。在最壞的情況下，公司必須大幅度削價(jià)甚至虧本銷(xiāo)售。新價(jià)格中各部分所占的比例在每一列的左側(cè)顯示。 一臺(tái)價(jià)值1000美元的PC機(jī)的價(jià)格組成。另一個(gè)原因是如果產(chǎn)品通過(guò)零售商代銷(xiāo)，例如個(gè)人電腦，零售商將提取標(biāo)價(jià)的一定百分比作為自己的銷(xiāo)售收入。標(biāo)價(jià)與平均售價(jià)是不同的。額外費(fèi)用通常占平均售價(jià)的10%到45%，具體數(shù)值取決于產(chǎn)品的市場(chǎng)比例。它包括公司的研發(fā)費(fèi)用、營(yíng)銷(xiāo)費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、場(chǎng)地租金、財(cái)務(wù)成本、稅前利潤(rùn)和賦稅。另一項(xiàng)附加是額外費(fèi)用，作為公司的額外開(kāi)銷(xiāo)，它是不能直接計(jì)入產(chǎn)品成本的一項(xiàng)經(jīng)營(yíng)性費(fèi)用。直接成本通常是元件成本的10%到30%。圖中，隨著開(kāi)銷(xiāo)逐漸增加，價(jià)格也從左到右逐漸提高。成本與價(jià)格的差異還取決于公司在哪兒銷(xiāo)售產(chǎn)品。這一小節(jié)的目的只是介紹一下影響價(jià)格的重要因素及通常情況下它們影響的強(qiáng)弱程度。這樣，成本即使發(fā)生很小的變化也會(huì)對(duì)價(jià)格產(chǎn)生非常顯著的影響。價(jià)格與產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)一步強(qiáng)化了成本變化對(duì)價(jià)格的影響，特別是在低端產(chǎn)品的市場(chǎng)。例如，成本提高1000美元，價(jià)格可能會(huì)提高3000到4000美元。成本與價(jià)格——它們?yōu)槭裁床煌跋嗖疃嗌僭某杀究赡軙?huì)限制設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)某些設(shè)計(jì)意愿，但它與用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的最終產(chǎn)品的價(jià)格仍然相差甚遠(yuǎn)。注意占總成本比例最大的單個(gè)部件是處理器，然后是監(jiān)視器。盡管在中型或大型設(shè)計(jì)中這一比例會(huì)提高，但多數(shù)子系統(tǒng)的分類(lèi)細(xì)目的比例仍是差不多。此外，我們預(yù)測(cè)將來(lái)的計(jì)算機(jī)會(huì)有更大的內(nèi)存和硬盤(pán)空間，這意味著價(jià)格下降的速度會(huì)遠(yuǎn)低于技術(shù)進(jìn)步的速度。成本在系統(tǒng)中的分布：一個(gè)實(shí)例為透視硅片的成本。顯然，這個(gè)影響著制造原型和調(diào)試運(yùn)行的巨大的固定成本，成為了低產(chǎn)量生產(chǎn)中生產(chǎn)成本的一個(gè)重要部分。在集成電路處理過(guò)程的每一步都需要一個(gè)單獨(dú)的掩模。 以上重點(diǎn)在于分析生產(chǎn)一個(gè)功能電路小片的成本變量，這是和高產(chǎn)量的集成電路的發(fā)展相適應(yīng)的。 在我們決定把一個(gè)部件加入計(jì)算機(jī)前，必須對(duì)它進(jìn)行測(cè)試、封裝、封裝后的再測(cè)試。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者電路小片的大小有影響，因此對(duì)電路小片的成本有影響。對(duì)于今天使用的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)而言，通常α取4，所以電路小片的成本與電路小片面積的四次方（或更高）成正比。假設(shè)一個(gè)處理過(guò)的晶片成本是5500美元，或者相當(dāng)于面積是它兩倍的小片的成本的三倍。顯然，這種多余產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)提供成品率是很有效的。在幾年之內(nèi)，DRAM通過(guò)定期的多生產(chǎn)一些存儲(chǔ)單元來(lái)消除那些殘次品。用于打印機(jī)、（）。在上面的例子中。例題 。最后，α是一個(gè)衡量工藝復(fù)雜程度的參數(shù)，它是影響電路小片成品率的重要參數(shù)，它粗略與掩模的層數(shù)相對(duì)應(yīng)。單位面積的殘次品數(shù)目用來(lái)衡量隨機(jī)缺陷和制造缺陷。集成電路產(chǎn)出率的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图俣ㄓ腥毕莸漠a(chǎn)品在晶片中隨機(jī)分布且產(chǎn)出率與制造過(guò)程的復(fù)雜性成反比，所以有如下的公式： 其中晶片成品率除去了完全被損壞因而不必進(jìn)行測(cè)試的晶片。例如，直徑為30厘米（約12英寸）*225(*30/)=640個(gè)邊長(zhǎng)為1厘米的電路小片。下面將闡述這一點(diǎn)： 每個(gè)晶片上電路小片的個(gè)數(shù)近似為晶片的面積除以電路小片的面積，更確切的公式如下： 第一項(xiàng)是晶片面積與電路小片面積的比，第二項(xiàng)是對(duì)晶片邊緣附近方形小片數(shù)目的修正。（照片由MIPS科技公司提供） 要想知道每個(gè)晶片上有多少性能良好的電路小片，就要先知道晶片的面積和正常工作的電路小片所占的比例。這種R20K的頻率從500MHz到750MHz，在每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)整數(shù)操作。（照片由Intel提供） 含有NEC MIPS 4122的12英寸晶片的照片。所以一片封裝好的集成電路的成本為：本節(jié)中，我們集中討論電路小片的成本，并在本節(jié)末尾概略介紹影響測(cè)試和封裝成本的主要因素，在習(xí)題中會(huì)有對(duì)測(cè)試和封裝成本更詳細(xì)的討論。因此，要想弄清楚整機(jī)的成本就必須先弄清楚集成電路的成本。集成電路的成本為什么一本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教科書(shū)會(huì)有一節(jié)專(zhuān)門(mén)來(lái)討論集成電路的成本呢？在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中，標(biāo)準(zhǔn)件—如磁盤(pán)、DRAM等—在計(jì)算機(jī)總成本中占的比例越來(lái)越大，集成電路的成本成了影響計(jì)算機(jī)總成本的重要因素。零配件供應(yīng)商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)和零配件產(chǎn)量增加帶來(lái)的高生產(chǎn)效率最終導(dǎo)致零配件的總生產(chǎn)成本的下降。當(dāng)然這種激烈競(jìng)爭(zhēng)減小了售價(jià)與成本間的價(jià)差，但它同時(shí)也降低了成本。在過(guò)去十年中，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的大多數(shù)低端產(chǎn)品是裝配IBM兼容PC機(jī)的零配件。事實(shí)上，零售店貨架上出售的所有商品都可以稱(chēng)為零配件。這樣的價(jià)格下跌呈現(xiàn)了一種價(jià)格與成本緊密同時(shí)下降的競(jìng)爭(zhēng)局面。這里的數(shù)據(jù)是由2000年5月出版的微處理器報(bào)告提供。稍后，我們還會(huì)討論影響售價(jià)的其它因素。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，一些設(shè)計(jì)者曾經(jīng)估算出產(chǎn)量每增加一倍，成本就會(huì)降低10%。其一，產(chǎn)量增加會(huì)縮短達(dá)到學(xué)習(xí)曲線(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)效率的時(shí)間，這一時(shí)間部分地與產(chǎn)品或系統(tǒng)的產(chǎn)量成正比。除此而外，產(chǎn)量也是決定成本的重要因素。在嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期，盡管出售微處理器的賣(mài)主幾乎陷入虧本的境地，但價(jià)格依然隨成本緊密變化。在本世紀(jì)初又出現(xiàn)了大量供過(guò)于求的情況，導(dǎo)致了價(jià)格的急遽降低，這是讓廠家不能承受的。從1996年開(kāi)始，出現(xiàn)了生產(chǎn)廠家的利潤(rùn)隨著價(jià)格的下跌而瘋狂降低的局面，連DRAM的最終價(jià)格也包括在內(nèi)。在19771995年間，DRAM的價(jià)格以令人難以置信的速度狂跌，（以1977年價(jià)格水平計(jì)價(jià)）。 六代DRAM（從16Kb到64Mb）的價(jià)格（按1977年價(jià)格水平計(jì)價(jià)）隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)——顯示學(xué)習(xí)曲線(xiàn)的作用。從設(shè)計(jì)初期到產(chǎn)品出廠的兩年間，一個(gè)新的DRAM芯片的成本將固定降低5－10美元。當(dāng)然，制造商是絕不希望這種情況發(fā)生。舉一個(gè)受學(xué)習(xí)曲線(xiàn)影響的例子：自從DRAM芯片的價(jià)格開(kāi)始與其成本緊密聯(lián)系在一起以后，每兆字節(jié)DRAM的價(jià)格長(zhǎng)期以來(lái)一直就以每年40％的速度下降，當(dāng)然這要除去短缺的一段時(shí)期，那時(shí)DRAM的價(jià)格和成本基本相當(dāng)。不論生產(chǎn)的產(chǎn)品是芯片、主板還是一個(gè)系統(tǒng)，產(chǎn)量加倍，成本就會(huì)降低一半。時(shí)間、產(chǎn)量、商品化和包裝的影響即使計(jì)算機(jī)的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)元件的生產(chǎn)成本也會(huì)逐漸降低，這是由于學(xué)習(xí)曲線(xiàn)（單位成本會(huì)隨時(shí)間而遞減）在起作用。習(xí)題和例題中的具體數(shù)據(jù)可能會(huì)隨時(shí)間改變，但作為成本決策的基本原則變化相對(duì)要慢一些。這一節(jié)將集中講述成本、價(jià)格的問(wèn)題，尤其是二者之間的關(guān)系：價(jià)格是你賣(mài)一件成品所得到的，而成本是你生產(chǎn)這個(gè)產(chǎn)品所花費(fèi)的全部費(fèi)用。教科書(shū)中常常忽略性?xún)r(jià)比中的成本因素，因?yàn)槌杀咀兓绱酥焓沟媒炭茣?shū)中的內(nèi)容很快就會(huì)顯得過(guò)時(shí)了，而且成本在工業(yè)部門(mén)中確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。1999年，一半以上的PC機(jī)售價(jià)在1000美元以下，一臺(tái)嵌入應(yīng)用的32位微處理器的平均價(jià)格是幾十美元。在不久的將來(lái)，很可能是功耗而不是晶體管的數(shù)量會(huì)成為發(fā)展的最主要的限制。2001年最快的微處理器工作站和服務(wù)器消耗功耗在100瓦到150瓦之間。從一個(gè)加工過(guò)程到下一個(gè)，晶體管轉(zhuǎn)換的數(shù)量、它們轉(zhuǎn)換的頻率和載入電容和電壓的減少都導(dǎo)致了整體功耗的增加。對(duì)于現(xiàn)代的CMOS微處理器，主要的能量消耗在晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。2001年，Pentium 4將其20多級(jí)流水線(xiàn)分成兩個(gè)階段，目的僅是在芯片上傳輸信號(hào)。在過(guò)去的幾年里，線(xiàn)延遲已經(jīng)成為了大規(guī)模集成電路中主要的設(shè)計(jì)障礙，而且往往比晶體管轉(zhuǎn)換延遲更為關(guān)鍵。有時(shí)加工方法會(huì)提高連線(xiàn)延遲，比如用銅作為連接介質(zhì)，這將會(huì)提高一個(gè)單位時(shí)間的線(xiàn)延遲。當(dāng)然，當(dāng)特征尺寸減小，連線(xiàn)變短，但是每單位長(zhǎng)度上的電阻和電容卻增加。 盡管晶體管隨著特征尺寸的減少而性能增加，集成電路中的連線(xiàn)卻不這樣。在微處理器產(chǎn)生之初，晶體管密度的高速增加使得處理器從4位發(fā)展到8位、16位和32位。近似的說(shuō)，集體管性能隨著特征尺寸的減小線(xiàn)性的增加。在垂直方向上尺寸的減少需要操作電壓的減少以保證操作的正確和晶體管的可靠性。但是晶體管性能的增加是更為復(fù)雜的。1971年到2001年。這一技術(shù)的突破是可能的，它對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的影響。如果消除處理器和高速緩存的交叉，則可以提高性?xún)r(jià)比和性能/功耗比。例如，八十年代初期，當(dāng)MOS技術(shù)發(fā)展到在一個(gè)硅片上可以有25，000到50，000個(gè)晶體管時(shí)，制造單片的32位微處理器就成為可能的了。通常，成本降低的速度與器件密度提高的速度相當(dāng)。即使在單個(gè)產(chǎn)品的生命周期中（兩年設(shè)計(jì)期、二到三年投產(chǎn)期），關(guān)鍵技術(shù)――例如DRAM技術(shù)――變化之大也使設(shè)計(jì)者必須將其考慮在內(nèi)。在美國(guó)，由于光纖設(shè)備和硬件交換系統(tǒng)的使用，互聯(lián)網(wǎng)的主體架構(gòu)已經(jīng)在以更快的速度發(fā)展（帶寬每年大約增長(zhǎng)兩倍）。以前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展似乎很緩慢，就像以太網(wǎng)那樣，花了近十年的時(shí)間才從10Mb提高到100Mb。l 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——網(wǎng)絡(luò)的性能依靠交換和傳輸系統(tǒng)。存取時(shí)間在過(guò)去十年內(nèi)縮短為原來(lái)的三分之一。1990年以前，磁盤(pán)密度以每年30%的速度增長(zhǎng)，三年內(nèi)幾乎達(dá)到原來(lái)的兩倍。此外，DRAM接口的變化也改善了帶寬，這是第5章中討論的內(nèi)容。訪(fǎng)問(wèn)速度提高得非常慢，平均每十年降低為原來(lái)的三分之一。器件的增長(zhǎng)速度較慢，我們將在下一節(jié)中討論這一問(wèn)題。電路核心尺寸的變化速度還沒(méi)有精確的數(shù)值，大約在每年10—20%之間。從計(jì)算機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，設(shè)計(jì)者必須密切注意計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變化。一個(gè)成功的指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被持續(xù)使用數(shù)十年，例如IBM大型機(jī)的核心從1964年至今一直被使用著。 計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì) 一個(gè)成功的指令集必須能夠適應(yīng)硬件、軟件及應(yīng)用特性的各種變化。(第8章)通常要求對(duì)圖像、視頻（或是其它一些有特殊要求的地）有特殊的支持；功耗限制、控制(第5章)軟件兼容級(jí)別編程語(yǔ)言級(jí)目標(biāo)代碼或二進(jìn)制級(jí)兼容決定機(jī)器可以運(yùn)行哪些軟件設(shè)計(jì)者自由度較大，但需要新的編譯器（第6章）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定——基本無(wú)隨意性可言——但無(wú)需對(duì)軟件或端口程序追加投資操作系統(tǒng)要求地址空間的大小內(nèi)存管理安全保護(hù)為支持選定的操作系統(tǒng)所必需的特性（第8章）非常重要的特性（第5章）；可能限制應(yīng)用程序的運(yùn)行只有現(xiàn)代操作系統(tǒng)才需要考慮這一點(diǎn)，可以是頁(yè)式或段式管理不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用都需要考慮，可以是頁(yè)式或段式保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)I/O總線(xiàn)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言市場(chǎng)已經(jīng)有某種需要滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)格式和算法：IEEE754標(biāo)準(zhǔn)（附錄H），針對(duì)圖像信號(hào)處理的特殊算法I/O設(shè)備：ATA、SCSI、PCI（第8章）UNIX、PalmOS、Windows、WindowsNT、WindowsCE、CISCO IOS對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的支持：Ethernet， Infiniband（第8章）編程語(yǔ)言(ANSI C、C++、Java、FORTRAN)將影響指令集（第2章） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要面對(duì)的最重要的性能要求一覽表。下面的兩小節(jié)將討論成本和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 除了性能，價(jià)格也是優(yōu)化性能價(jià)格比的一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于桌面電腦市場(chǎng)而言，他們把更多的努力放在如何設(shè)計(jì)一個(gè)可以將圖像和I/O系統(tǒng)集成到系統(tǒng)中的領(lǐng)先的微處理器；在服務(wù)器市場(chǎng)，則更多的關(guān)注在一個(gè)多處理器結(jié)構(gòu)中，如何集成一個(gè)高性能的微處理器和設(shè)計(jì)可擴(kuò)展和高可用性的I/O系統(tǒng)。桌面電腦一直注重在費(fèi)用性能方面的優(yōu)化，而服務(wù)器卻