【正文】 注重可用性、可擴展性、吞吐量和那些價格驅動的計算機內部的功耗問題等。當然，究竟哪一種設計是最優(yōu)的取決于不同的衡量標準。其中許多要求和特性將在以后的章節(jié)中深入討論。如果市場上已有大量為某一指令集系統(tǒng)結構設計的軟件，系統(tǒng)結構設計者就可能會在新機器中實現這一指令集。這些要求中可能包括由市場需求激發(fā)的特定功能。通常，他們還必須弄明白功能要求究竟是什么。在本書中，系統(tǒng)結構一詞包含了上述計算機設計的所有三個方面——指令集系統(tǒng)結構、結構和硬件。同一系列的計算機通常具有相同的指令集系統(tǒng)結構和幾乎完全相同的結構，但它們的具體硬件實現卻不同。 硬件是指一臺計算機實現的具體細節(jié)。Pentium III和Pentium 4的指令集系統(tǒng)結構相同，結構卻不同。一臺計算機的實現包括兩部分內容：結構和硬件。 在本書中，指令集系統(tǒng)結構指的是程序員可見的實際指令集。系統(tǒng)結構的設計者――即計算機設計者――的工作遠不止是指令集設計，在其它方面遇到的技術困難與在指令集設計中遇到的困難同樣具有挑戰(zhàn)性。這種說法通常暗示著實現不那么有趣或不那么具有挑戰(zhàn)性。優(yōu)化設計需要熟練掌握很多領域中的技術，從編譯器、操作系統(tǒng)到邏輯設計和封裝技術。這里面涵蓋的問題是多方面的，包括指令集的設計、功能組織、邏輯設計與實現。因此，多達幾百萬的PC單元也可以有效的做為服務器來使用。事實上，最大的銷售微處理器的市場是Intel的8位微控制器。對于嵌入式系統(tǒng)來講，一個重要的高端應用是網絡路由器，它包括多個處理器和大量的存儲器以及其他電子設備。特征桌面式服務器嵌入式系統(tǒng)價格$1，000－$10，000$10，000－$10，000，000$10－$100，000（包括高端網絡路由器）微處理器價格$100－$1，000$200－$2000（每個）$－$200每年微處理器銷量（2000年）150，000，0004，000，000300，000，000（只有32位和64位的）關鍵設計性價比，圖形性能吞吐量，可用性，可擴展性價格，功耗，專用程序性能 三種計算類型和系統(tǒng)特征的總結 注意服務器和嵌入式系統(tǒng)的價格的變化范圍是很廣的。不管是非定制的微處理器還是微處理器核，本書討論的大部分內容都適用于嵌入式處理器（需要同其它專用硬件一起組裝）的設計和使用。數字信號處理器（DSPs）是專為信號處理應用程序設計的處理器。2． 設計者使用定制的軟件運行在非定制的嵌入式處理器上。通常應用程序的功能和性能是通過將定制的硬件解決方案和在能在標準嵌入式處理器核上運行的軟件相結合的方法得到的，這種軟件能夠與專用硬件交互。我們將在后續(xù)章節(jié)里詳細介紹這個問題。大存儲容量同樣代表了更高的功耗，同時優(yōu)化功耗在嵌入式應用中也是關鍵。無論如何，因為數據大小是受應用程序決定的，所以存儲器大小的重要性就轉化為代碼大小的重要性。在很多嵌入式應用中，存儲器是作為系統(tǒng)成本的一部分，因此對存儲器大小的優(yōu)化是很重要的。隨著嵌入式微處理器的廣泛使用，產生了對測試程序的廣泛需求，這些需求包括從運行小且有限的程序片斷到能夠穩(wěn)定的運行數萬行代碼。實時性能往往是和應用高度相關的。在一些應用中存在著更為復雜的需求：當時間超過最大時間時，一個特定任務的平均時間和例程的數目是受約束的。實時性能是指每個程序片斷有一個有限的最大執(zhí)行時間。性能的需求是存在的，但是主要的目標還是以最低的價格滿足性能要求，而不是用高價格達到更高性能。 嵌入式計算機的處理能力和價格范圍很廣泛——從低端的少于1美元的8比特和16比特處理器，到少于10美元每秒可以執(zhí)行5千萬條指令的全32比特微處理器，到高端的幾百美元能夠為最新的視頻游戲或高端網絡交換機提供每秒十億條指令計算能力的嵌入式處理器。匯編語言的使用、標準化操作系統(tǒng)的出現和大量兼容性的基礎代碼是嵌入式市場上最受關注的。因此，應用通?？梢葬槍μ幚砥骱拖到y(tǒng)量體裁衣。這些設備范圍很廣泛，從每天都使用的機器（如大多數微波爐、洗衣機、打印機、網絡交換機，和所有包含嵌入式微處理器的汽車）到手持數字設備（如掌上電腦，手機和Smart卡）到視頻游戲和數字機頂盒。數據來源于Kembel[2000]，由Contingency Planning Research整理和分析。對單個請求的相應很重要，但用單位時間處理的請求數目來表示的整體的效率和成本效率對絕大多數服務器來講是關鍵的。 最后，服務器是為有效的吞吐量設計的。由于對服務器所提供服務的需求的增長和對其它功能的需求，服務器通常會超過其壽命。這里我們可以看出，一個不可用系統(tǒng)的估計成本是很高的，其中還不包含給顧客造成的心理上的損失。這樣服務器系統(tǒng)的失敗比起一臺桌面電腦的失敗要更具有災難性。 為什么可用性很關鍵呢？想想Yahoo！的服務器，為Cisco確保訂單的服務器，或者eBay上提供拍賣的服務器。大規(guī)模系統(tǒng)的一些部分不可避免的要失??；服務器的一個挑戰(zhàn)是在面對部件失敗的前提下保證系統(tǒng)的有效性，這通常是通過冗余來達到的。我們使用“可用性”這個詞表示系統(tǒng)能夠提供可靠的和有效的服務。 對于服務器來講，一些不同的特點是很重要的。World Wide Web的出現使加速了這種趨勢，這是因為對Web服務器和基于Web的成熟服務的需求增長迅速。這種關注將導致消費者和設計者都產生錯誤的決定。 盡管網絡中心和交互式應用對性能的評估產生了新的挑戰(zhàn)，桌面電腦在考慮應用和測試方面上也是最趨于合理的。性能和價格的結合是這個市場的消費者最關心的，因此也是設計者最關心的。桌面電腦的界定可以從低于1000美元的低端系統(tǒng)到超過10000美元、具有良好性能的工作站。在計算機使用上的變化導致了三個不同的計算機市場，它們之間以不同的應用程序、需求和計算技術作為區(qū)別。 這些變化對我們如何看待計算、計算的應用以及在新千年開始的計算機市場的巨大變化起了鋪墊作用。個人擁有臺式電腦取代了分時技術導致了服務器的應用，服務器是一個能夠提供如可靠的長時間的文件存儲、大內存和高計算能力的大規(guī)模服務的計算機。七十年代誕生了小型機，這是一種小規(guī)模的主要針對科學實驗室的機器，但是卻像多用戶通過自己的終端共享一臺機器這個技術一樣得到了廣泛的使用。 計算的改變方向和計算機設計者的任務六十年代，計算的主要形式是利用大型機，這種機器往往價值幾百萬美元，并且安放在專用的計算機室里，需要多個操作員來進行操作。 要保持近年來計算機成本降低、性能提高的速度需要計算機設計的不斷創(chuàng)新，筆者認為這種創(chuàng)新將建立在計算機設計的定量方法基礎上。處于這一戲劇性革命中心地位的是計算機設計的定量方法的發(fā)展和以對程序的直接觀察、實驗和模擬為工具的分析方法。從90年代末開始，隨時晶體管數量的猛增，解釋更多更復雜的x86系統(tǒng)結構的費用相對于它在一個現代微型處理器中的整個晶體管數量來說，已經變的微不足道了。在過去短短幾年間，集成電路的迅猛發(fā)展使得像x86（或是IA32）這樣的舊的少流水線型的系統(tǒng)結構也能夠采用基于RISC的許多新的方法。 不必與以往設計相兼容的自由性和微處理器技術的使用促使了計算機設計的復興，此時的計算機設計既強調系統(tǒng)結構的創(chuàng)新，又強調充分利用技術進步的成果。大型機也在慢慢地被由流行的微處理器組成的多處理器取代。工作站和PC機已經成為計算機工業(yè)的主要產品。現代最高性能的微處理器對很多應用程序的處理效果遠遠超過不到10年前的那時候的巨型機。 這一令人難以置信的飛速發(fā)展帶來了雙重效果。設計者把基于RISC的機器的注意力放在兩個關鍵性能技術上：指令級并行的開發(fā)（從最初的流水線操作到后來的多指令流）和高速緩存的使用從最初簡單的形式到后來的復雜的組織方式和優(yōu)化方式。 浮點運算的性能提高得更快。此后，微處理器的性能提高主要得益于先進的系統(tǒng)結構設計思想。隨著SPEC的發(fā)展變化，通過和SPEC的兩個不同的版本（如SPEC92和SPEC95）有關的比例因子來對更新的機器性能進行評估。 八十年代中期之后微處理器的性能增長速度實際上要比以前快。其一，人們實際已經不再使用匯編語言編程，這就降低了對目標代碼兼容性的要求。 這一發(fā)展速度，再加上微處理器批量生產的成本優(yōu)勢，使得計算機產業(yè)中以微處理器為基礎的部分迅速膨脹。七十年代，當時計算機工業(yè)占統(tǒng)治地位的大型機和小型機的性能以每年25—30%的速度提高。盡管制造技術的進步速度相當穩(wěn)定，但系統(tǒng)結構的發(fā)展速度卻不那么穩(wěn)定。現在，花不到一千美元買到的個人計算機比1980年花一百萬美元買的計算機具有更高的性能、更大的主存和磁盤空間。第一章 計算機設計基本原理 簡介半個多世紀以來，計算機技術取得了驚人的發(fā)展。1945年時還沒有能存儲程序的計算機。這一高速發(fā)展既得益于計算機制造技術的進步，又離不開計算機設計的創(chuàng)新。在電子計算機發(fā)展的最初25年中，這兩股力量的貢獻都很大，但大約從七十年代開始，計算機設計者開始更多地依賴于集成電路技術。七十年代末出現了微處理器，它比大型機和小型機集成度更高，因而促進了集成電路技術的發(fā)展，這又進一步推動了計算機性能的提高——計算機性能以大約每年35%的速度提高。此外，計算機市場的兩個重大變化使新的計算機系統(tǒng)結構比以往更容易取得商業(yè)運作的成功。其二，標準的、與廠商無關的操作系統(tǒng)（如UNIX）的出現，減小了推出新系統(tǒng)結構的成本和風險。這張圖表是根據SPECint測試程序的結果繪制的計算機性能曲線，以VAX 11/780為基準。在八十年代中期以前，微處理器的性能提高主要是技術驅動的，平均以每年35％的速度提高。截止到2001年，這一增長速度已經使總的性能與單純依靠技術進步能夠達到的性能之間有了十五倍的差距。正是這些變化使得在八十年代初RISC的新系統(tǒng)結構的推出成為可能。系統(tǒng)結構和組織的共同增強導致在性能方面以每年50％以上的速度持續(xù)提高了長達20年。一方面，它極大地增強了計算機提供給用戶的功能。 另一方面，這一飛速發(fā)展使以微處理器為基礎的計算機在整個計算機領域占據了統(tǒng)治地位。由邏輯電路或門陣列制成的小型機已經被用微處理器制造的服務器取代了。甚至高端產品——巨型機也可以由多個微處理器構成。截止到2001年，微處理器的最高性能與單純依賴以提高集成電路設計在內的技術進步能夠達到的性能相比，前者幾乎是后者的十五倍。如我們所看到的，現代x86處理器基本上有一個前端部件，這個部件可以讀取并解碼x86指令并將其映射為簡單的ALU、內存訪問，或者是能在RISC式流水線處理器中執(zhí)行的分支操作。本教材講述的正是使這一飛速發(fā)展成為可能的系統(tǒng)結構設計的基本思想和相關的編譯器的發(fā)展。本書所反映的正是這種設計風格和方法。因此，寫本書的目的不僅限于闡述這種設計方式，而且希望它能夠激勵讀者為計算機的發(fā)展做出自己的貢獻。典型的應用程序是商務數據處理和大規(guī)模的科學計算。八十年代出現了基于微處理器的臺式電腦，有個人電腦和工作站兩種形式。九十年代出現了Internet和WWW，第一個成功的掌上電腦（個人數字助理或PDA）和高性能數字消費品，這包括視頻游戲和機頂盒等。在個人電腦誕生20余年后的今天，我們看到在計算機在外表以及使用方法上的巨大變化。桌面電腦 第一個，也是最大的一個市場是桌面電腦市場。在價格和性能的這個范圍內，臺式電腦市場的總體趨勢是優(yōu)化性價比。因此，桌面系統(tǒng)往往是最新最高性能的處理器和降價微處理器系統(tǒng)最先露面的場所。桌面電腦市場中PC部分似乎是更把時鐘頻率作為衡量性能的直接尺度。服務器 桌面電腦興起的同時，服務器在提供更大規(guī)模及更可靠的文件與計算服務中的作用也日趨明顯。這些服務器取代了傳統(tǒng)的大型機成為企業(yè)進行大規(guī)模處理的中樞。首先，可用性是關鍵。這有別于“可靠性”，它僅表示系統(tǒng)不失敗。這個話題將在第7章詳細討論。顯然，這樣的系統(tǒng)一定是1周7天，1天24小時運轉的。評估停工期（downtime）的損失是很難的，這里我們可以假設停工期均勻分布，而且不發(fā)生系統(tǒng)空閑的時候。 服務器系統(tǒng)的第二個關鍵特性是強調可擴展性。因此，對于服務器來講，能夠升級計算能力、主存儲器、存儲空間和I/O帶寬是很關鍵的。也就是說，服務器的整體性能——用每分鐘處理的事務數或者每秒鐘提供的頁面服務來衡量——是關鍵。（）應用每小時損失年平均損失1%（）%（）%（）經紀人業(yè)務$6，450$565$283$信用卡認證$2，600$228$114$家庭購物通道$150$$$包裝服務$113$$$編目銷售中心$90$$$航空預定中心$89$$$手機服務激活$41$$$網絡在線費用$25$$$ATM服務費$14$$$ 通過分析停工期得到的不可用系統(tǒng)的損失（在直接收入損失方面），假設有三種不同級別的有效性，同時停工期是均勻分布。嵌入式計算機 嵌入式計算機——放置在其他設備中的計算機，計算機的存在往往并不顯而易見——是計算機市場中增長最快的部分。盡管在一些應用中（如掌上電腦）計算機是可編程的，但是在更多的嵌入式應用中，編寫程序僅僅發(fā)生于初始的應用代碼載入和后期軟件的升級。這樣的裁減過程包括關鍵循環(huán)用匯編語言實現等，但這些匯編代碼的開發(fā)是受開發(fā)時間和好的軟件工程實踐所限制的。像其他計算應用一樣，軟件花費也是嵌入式系統(tǒng)中很大的一部分開銷。盡管嵌入式計算機市場上處理能力的范圍很廣泛，但價格仍然是設計計算機時考慮的一個關鍵因素。 通常，嵌入式應用的性能需求是實時需求。舉個例子，在數字機頂盒中，因為處理器必須在很短時間內接受和處理下一幀，所以每一個視頻幀的處理時間是有限的。為此，一種能夠偶爾避免一個事件的時間約束，又不避免過多的約束的方法產生了，這種方法有時被稱為軟件實時。通常是在核心態(tài)下，用應用程序或者標準的測試程序（）來衡量的。 在很多嵌入式應用中還存在著其他兩個關鍵的特性：最小化存儲器的需要和最小化功耗的需要。有時應用程序能夠裝入整個處理器片上的存儲器，其他時候應用程序需要裝入一個片外的小存儲器。下一章我們將會看到，一些體系結構存在專門的指令集能夠減少代碼長度。盡管強調低功耗是因為使用電池的原因，但是使用更便宜封裝材料（塑料和陶