UCAS-高级计算机体系结构笔记

经典技术回顾

cpu设计历史

• 流水线 ILP
• 功耗
• 存储系统结构设计
• 向量 SIMD GPU 大数据流并行结构
• 互联网数据中心
• 移动计算
• 面向领域硬件

体系结构经典技术

• 流水线
• 动态调度
• Cache
• 向量机
• RISC
• 多发射 乱序执行
• EPIC
• SMT 同时多线程
• CMP 片上多核

性能参数计算

• 程序执行时间 = 指令 x（周期/指令）x（时间/周期）：并不独立 互相相关
  • IC x CPI x CCT
  • CPI = base + stalls
• 功耗 = 动态功耗 （电容 x 电压 x 主频）+ 静态功耗 （漏电流功耗）

CPU指令类型

• logical
• loads store
• control flow

现代处理器核设计技术基础

• Pipelines
  • 5级流水线 MIPS R3000
  • 优点 提高主频
  • 缺点 长短指令时间一致 导致停滞
    • 改进： 更深的流水线
    • 更宽的流水线 超标量流水线
    • 切分流水线
    • 乱序执行
    • 分支预测
  • 限制
    • 流水线寄存器延迟
    • 每个阶段不对等
    • 时钟漂移
    • 57级之后没有收益（功耗爆增）
  • Amdahl’s Law
• Branch Prediction
  • BHT 转移历史表 + 译码
  • BTB 转移目标缓冲器
• Register Renaming
  • tomasulo algorithm
• Out-of-Order Execution
• Re-order Buffer
• Data Parallel Processing SIMD / Vector Extensions

存储系统设计：高速缓存

存储层次结构：

• 寄存器
  • 逻辑寄存器
  • 物理寄存器
• Cache TLB
  • why： memory wall
  • 经典组织结构
    • 三级缓存
  • 操作策略
    • 放置
      • 全关联
      • 直接映射
      • 多路组关联
    • 识别
      • 低位index（增加辨识度） 高位tag
    • 替换
      • LRU
      • RAND
      • FIFO
    • 写策略
      • 写通过
      • 写回
  • 性能 AMAT
    • 降低缺失率
      • 必然缺失 冷启动缺失
      • 容量缺失 -> 增加块大小
      • 冲突缺失 -> 提高关联度
      • 一致性缺失（多核）
  • 功耗
• Memory
• Disk
• 网络存储

局部性原理：存储层次结构的基础

• 时间局部性
• 空间局部性

高速缓存优化策略

• multi-level cache 多级cache
  • 针对每级cache做不同的优化
• victim cache
  • 使用小cache保存L1丢弃的数据
• pseudo-associative cache 伪关联
  • cache分块 猜测多次（猜测预测）
  • 缺陷 流水线难设计 猜测算法难设计
• skew-associative cache 斜关联
  • 每路cache使用不同的index hashing
  • 缺点 hash函数延迟
• non-blocking cache
  • 缺失发生时继续提供命中
• critical word first 关键字优先
  • 优先发送缺失的字
• prefetching
  • 硬件预取
  • 软件预取
• multi-ported cache

优化方向

• 降低缺失率
• 降低缺失损失
• 降低cache命中时间
  • 片上多级cache
  • 加速地址翻译
  • cache访问流水线

存储系统设计：主存储器

没有miss rate 只关注命中时间
操作类型：

• LD/ST
• DMA（直接内存访问）

RAM：

• SRAM 用于L1/L2 cache
• DRAM 用于主存

Memory Bank：

• 解码读取一行
• 选中行
• 读取某些列
• 输出
• 回填数据

memory access：

• active
• read
• write
• precharge
• refresh

burst：

• 每次读多列
• channel时钟比核心快

时序约束

• tRCD 打开行读到行放大器时间
• tCAS 打开一列到数据选出
• tCCD 两次列命令时间间隔
• tRP precharge时间
• tRAS 行保持开放的时间
• tRC 行的周期时间 = tRP + tRAS 访问不同行的最小时间间隔

rank： 片选bank
channels： 内存通道
NUMA topology： non-uniform memory access
DRAM controller 功能：

• 翻译请求到dram命令
• 缓存和调度请求
• 保证操作正确（刷新）
• 管理功耗

flash storage

是一种非易失存储器
是EPROM和EEPROM的升级产品
分类：

• NAND
• NOR

ISA tradeoffs

提供给程序员使用的指令集合
design point：

• leads to tradeoff in both ISA and uarch
• cost
• performance
• maximum power consumption
• energy consumption
• availability
• reliability and correctness
• time to market

soul of computer architecture：

• ISA level tradeoff
• 微体系结构权衡
• 系统和任务级权衡

different ISA：

• x86
• PDP
• VAX
• IBM 360
• CDC 6600
• SIMD
• VLIW
• Power PC
• RISC： alpha MIPS SPARC ARM

instruction：

• basic element of HW/SW interface
• 构成：
  • 操作码
  • 操作数

elements of ISA：

• sequencing model
  • control flow vs data flow
• processing style：
  • number of operands an instruction operates
  • 0，1，2，3 address machines
    • 0 stack machine
    • 1 accumulator machine
    • 2 2-operand machine
    • 3 3-operand machine
• instructions
  • opcode
  • operand specifiers （addressing modes）
• data types
  • definition
  • integer floating point
  • doubly linked list， queue， string， bit，vector
• memory organization
  • address space
  • addressability
    • byte
    • bit
    • 64-bit
    • 32-bit
  • support for virtual memory
• registers
  • how many
  • size of each register
• load/store vs memory/memory
• addressing modes
  • absolute
  • register indirect
  • displaced or based
  • indexed
  • memory indirect
  • auto inc/dec
• how to interface with I/O devices
  • memory mapped I/O
  • special I/O instructions
• privilege modes
  • user
  • supervisor
• exception and interrupt handling
• virtual memory
• access protection
• instruction length
  • fixed length
  • variable length
• uniform decode
  • uniform
  • non-uniform
• number of registers
• addressing mode

availability & reliability

reliability：

• MTTF： mean time to failure
• MTTR： mean time to repair
• MTBF = MTTF + MTTR

availability = MTTF / （MTTF + MTTR）
types of faults：

• hardware
• software
• operator errors
• environment factors
• security breaches
• planned service events

performance engineering

steps：

• measurement
• analysis
• improvements
• repeat

performance：

• IPC
• IPS
• QPS
• execution time
• AMAT： average memory access latency
• fairness，priorities

power：

• watts
• instructions

evaluation choices：

• real experiments
• using analytical models
• using a simulator

on-chip networks

shift to multicore 单核很难提升
amdahl law：串行部分影响加速比
design：

• topology
  • bus 总线
  • crossbar 交叉开关网
• flow control
  • messages，packets，flits，phits
  • bufferless
    • circuit switching
    • dropping
    • misrouting
  • buffered
    • store and forward
    • virtual cut through
    • wormhole
    • virtual channel
• router microarchitecture
• routing
  • deterministic
  • adaptive
  • minimal
  • deadlock free

cache coherence

communication models

• shared memory
• message passing

implementing
tow rules：

• write propagation 写传播
• write serialization 写顺序 有顺序且所有处理器都看到同一顺序

如何保证写传播

• 写无效
• 写更新

跟踪缓存状态和序列化

• 基于侦听
  • VI协议
  • MSI协议
  • MESI协议
  • MOSI
  • MOESI
• 基于目录

memory consistency

顺序一致性模型
松散一致性模型：

• load 越过 load
• load 越过 store
• 允许store乱序执行
• store越过load

单核优化技术在多核存储一致性上遇到的问题：

• store buffer
• store lod bypassing
• non FIFO store buffers
• non blocking caches
• register renaming
• speculative execution 推测执行
• address speculation 地址推测
• store atomicity
• causality

弱一致性模型 + 内存保护指令

超算

GPU

领域特定架构