计算机体系结构阅读笔记

几年前，术语“计算机体系结构”通常仅包括指令集设计. 计算机设计的其他方面称为实现，这通常意味着实现不是很重要，也不是挑战.

我们认为这种观点是错误的. 架构师的工作不只是指令集设计. 在项目其他方面遇到的技术障碍可能比在指令集设计中遇到的障碍更具挑战性. （p8）

RISC-V不仅因为其指令集而引起了广泛关注，而且开源的实现也是每个人都愿意投资的重要原因.

在单个处理器级别，充分利用指令之间的并行性对于实现高性能至关重要. 实现这种并行性的最简单方法之一是通过管道. 流水线背后的基本思想是重叠指令执行，以缩短完成指令序列的总时间. 流水线的关键是要认识到并非所有执行都取决于紧接在前的指令高性能计算机体系结构有哪些，因此可以完全或部分并行执行这些指令. （p35）

管道处理使每个执行单元可以同时工作，并利用每个单元的空闲时间.

“谁在第一？” “美国. ” “谁是第二名？” “没有第二. ” （p109）

有趣的报价，摘自年度“美洲杯”帆船赛后两个观众之间的对话. 我相信半导体行业的从业者都可以有同感.

有些情况下称为冒险，将阻止指令流中的下一条指令在其自己的指定时钟周期内执行. 冒险降低了通过流水线可以实现的理想加速. 有三种类型的冒险.

（1）结构性风险，在重叠执行模式下，如果硬件不能同时支持所有可能的指令组合，则会发生资源冲突，从而导致结构性风险.

（2）数据风险，根据流水线中指令的重叠，指令之间存在顺序. 如果一条指令取决于前一条指令的结果，则可能会导致数据风险.

（3）控制风险，分支指令和其他更改程序计数器的指令在流水线操作时可能导致控制风险. （p461）

清晰的分类，对于具有不同结构和不同应用的处理器，这些冒险的比例将有所不同. 因此，在分析后可以对其进行优化以解决管道堵转的问题. 此外，还有几种解决风险的方法. 一种是向硬件添加流水线暂停（或流水线互锁）机制，以在有风险的节点上等待. 您还可以让汇编器在编译阶段检测并插入空指令. 这种对硬件不敏感的方法可以看作是将工作量推到了工具链上. 特别是对于某些数据冒险，可以使用特殊的硬件结构提前获取上一步的结果，从而加快指令的执行速度.

此外，我们必须注意区分与指令相关和指令风险. 相关的指令影响指令的执行顺序. 相关指令不能乱序执行或并行执行，只能以固定顺序执行. 危险指令无法在管道中执行，这是不同的. 相关性可能导致风险. 编译器在计划代码时应注意保护（或消除）相关性并避免风险.

到2005年，英特尔和所有其他主要处理器制造商已调整其方法，以专注于多核. 通常使用线程级并行性代替指令级并行性，以实现更高的性能和对处理的有效利用. 处理器的职责已从硬件转移到软件和程序员. 自从流水线和指令级并行化的早期发展（大约25年前）以来，这是处理器体系结构中最重大的变化. （p182）

一个优秀而完整的系统将平衡硬件和软件之间的复杂性. 因此，硬件和软件始终相互依赖，并且彼此进步. 当一个方向发展到最高处时，每个人的注意力都将转向另一个方向. 一个方向. 例如，过去两年来非常热门的SDN和NFV是在硬件具有足够功能之后在软件级别寻求的突破.

在实际项目中，还必须平衡硬件和软件的复杂性. 如前所述高性能计算机体系结构有哪些，可以从硬件和软件的角度解决教学风险. 需要整合使用的特定方法. 考虑. 这种复杂度共享的想法可以应用于多个领域，例如图形卡的核心和驱动程序. 诸如C ++之类的另一种编程语言通过编译时间来减少运行时间，而诸如Python之类的脚本语言则无需进行编译. 慢一点.

SIMD的三种变体: 矢量体系结构，多媒体SIMD指令集扩展和图形处理单元（GPU）. （p194）

*向量处理器如何在每个时钟周期执行单个向量快于一个元素？每个时钟周期处理多个元素可以提高性能.

*向量处理器如何处理具有不同向量寄存器长度的程序？由于大多数应用程序向量与体系结构向量长度都不匹配，因此需要一种有效的解决方案来处理这种常见情况.

*如果要向量化的代码包含IF语句怎么办？如果您可以有效地处理条件语句，则可以向量化更多代码.

*向量处理器需要从存储系统中得到什么？没有足够的内存带宽，矢量执行可能会徒劳.

*向量处理器如何处理多维矩阵？为了使向量体系结构正常工作，必须对这种通用数据结构进行向量化.

*向量处理器如何处理稀疏矩阵？此通用数据结构也必须向量化.

*如何对矢量计算机进行编程？如果体系结构的创新与编译器技术不匹配，则可能不会被广泛使用. （p201）

七个发人深省的问题，每个问题都是在尝试理解和设计矢量处理器时会遇到的非常实用的问题. 只有回答这些问题，您才能更好地理解和设计出色的矢量处理设备.

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