计算机体系结构量化研究方法-1 - gapofsky
1.1 introduction
计算机技术的进步主要原因有两个：设计和制造。设计主要是架构的演进，制造主要是工艺的进步。这两个因素虽然都能保持计算机性能的进步，但是却不尽相同。
微处理器的诞生，极大的促进了计算机的发展，架构的演进却相对慢一些，后来又有两方面的原因加快了架构演进的速度：1， 高级语言（之前是汇编语言）；2， 操作系统，如UNIX/Linux等的诞生。这两种技术的产生，加快了新的架构在商业中的使用。再之后，RISC（精简指令集）诞生了，它的优势主要在两个方面：1， 指令级并行（流水线和多指令发射）；2， cache。RISC的产生提高了性能，迫使之前的架构要么改善自己，要么消失。
随着计算机的发展，微处理器技术的限制（晶体管尺寸等），多核处理器产生了，并从以前的ILP（instruction level parallelism）到DLP（data level parallelism），thread-level parallelism (TLP)，request-level parallelism (RLP）。其中，ILP是程序无法察觉的，由硬件隐式的去做；别的并行方式都需要程序自己去做，对程序员来说是一种负担。
书中说了很多，但归根结底，到现在位置，摩尔定律已经失效，提高芯片功耗比需要依赖特殊的架构（domain-specific architectures），而不是通用处理器。
1.2 计算机的分类
根据使用场景，需求，计算技术的不同，计算机分成了五类：
Internet of Things/Embedded Computers
Personal Mobile Device
Desktop Computing
Servers
Clusters/Warehouse-Scale Computers
并行化的分类以及并行架构
考虑到energy和cost，目前主要是两种并行化的方向：
1. DLP 也就是数据级并行化
因为有很多数据可以并行化处理
2. TLP 也就是任务级并行化
因为有很多的任务可以并行化处理
而计算机硬件则可以可以利用程序的这两种并行化提高性能，主要有四种方式：
1. 硬件的指令级并行化可以在两个层面利用程序的DLP，一个是利用编译器的帮助（比如pipeling），一个是利用硬件的推测执行（speculative execution）。
2. 向量架构，GPU，多媒体指令集可以利用DLP，让一条指令作用于多个数据
3. TLP在几组硬件的帮助下，可以利用DLP和task level的并行化，让多个线程可以交互数据，从而提高性能
4. RLP可以在程序或者操作系统指定的很多task之间实现并行化。
根据多处理器中，最受约束组件中的指令流和数据流，将所有的计算机分为四类：
1. SISD 单指令流，单数据流
这种类别是单处理器，程序员把它看作是标准的顺序计算机，但是它可以实现ILP。例子为超标量和推理执行。
2. SIMD 单指令流，多数据流
同一个指令由多个使用不同数据流的处理器执行。SIMD计算机实现数据级并行，对多个数据并行执行相同的操作，每个处理有自己的数据存储器，但是只有一个指令存储器，用来提取和派发指令。SIMD有三种：向量体系结构，标准指令集的多媒体扩展，以及GPU。
3. MISD 多指令流，单数据流
暂时没有这种类型的商用多处理器。。。
4. MIMD 多指令流，多数据流
每个处理器提取自己的指令执行，对自己的数据操作，针对的是task level parallel。适用cluster以及WSCs，因为可以并行执行多个独立任务，几乎不需要通信和同步。
1.3 计算机体系结构的定义
计算机设计人员的任务：判断哪些属性对于新计算机而言是至关重要的，然后满足成本，功耗和可用性约束条件。包括：指令集设计，功能组织，逻辑设计，实现方式；而实现方式可能包括集成电路设计，包装，电池和冷却等。因此设计人员要熟悉编译器，操作系统以及逻辑设计与包装等广泛技术。
13.1 指令集体系结构
指令集体系结构（ISA），指代程序员可以看到的实际指令集，作用相当于区分软件和硬件的界限。后面会以80×86，ARM以及RISC-V为例子，从7个方面介绍ISA。
1) ISA的分类
几乎所有的ISA都是通用寄存器体系结构，操作数要么是寄存器，要么是存储器地址。有两个主流版本：80×86，register-memory ISA，在许多指令中都可以访问存储器；还有一种是RISC-V，是load-store ISA，只能通过load或者store指令来访问存储器，下图是RISC-V的部分寄存器：
2） 存储器寻址
几乎所有桌面计算机和服务器使用字节寻址来访问存储器操作数。ARM要求操作对象是对齐的，比如大小是s的对象，地址为A，为A mod s == 0，就说明对这个对象的访问是对齐的。80×86和RISC-V不要求对齐，但是对齐会更快一些。
3）寻址模式
RISC-V寻址模式：寄存器寻址，立即数寻址以及位移量寻址。所谓的位移量寻址，是指固定的偏移量加到寄存器得出存储器地址。
4）操作数的类型和大小
8bit ASCII，16bit Unicode，32bit int，64bit ull以及IEEE 754浮点数（32bit单精度，64bit双精度）。
5）操作指令
数据传输指令，算数逻辑指令，控制指令，浮点指令。
6）控制流指令
几乎所有的ISA都有，支持条件转移，无条件跳转，过程调用以及返回。都使用相对于PC的寻址方式，分支地址由一个地址字段指定，该地址将被加到PC。不过这几种架构有细微差别，RISC-V条件分支（BE，BNE等）季铵盐寄存器中的内容，80×86和ARM测试条件代码位，这些位是在执行算术/逻辑运算时顺带置上的。ARM和RISC-V过程调用的返回地址放在寄存器中，80×86则存放在存储器的stack里。
7）ISA的编码。
有两种编码选择：固定长度和可变长度。ARM和RISC-V是固定长度（32位），8086是可变长度（1～18 byte）。采用可变长度编码可以减少程序的体积，所以后来ARM和RISC-V推出了16bit指令，成为Thumb，Thumb-2等。
下图是RISC-V的部分ISA：
下图是RISC-V的浮点运算ISA：
以及下面是RISC-V的指令格式：
R格式用于整数寄存器到寄存器的操作，比如ADD，SUB等；I格式的用于load操作以及立即数操作，如LD，ADDI等；B格式用于分支；J格式用于跳转和link？；S格式用于store。
1.3.2 真正的计算机体系结构：设计满足目标和功能需求的功能和硬件
计算机的实现有两个方面：组成和硬件。组成，也就是微体系结构，包含存储器系统，存储器互联，设计内部处理器或CPU等等，使用相同ISA计算机，可能有不同的组成，比如Intel和AMD都是x86 ISA，但是组成非常不同。硬件是计算机的具体实现，比如详尽的逻辑设计以及封装技术，有相同ISA，相似组成的计算机，可能有不同的硬件，比如Intel i7和Xeon就是相同的ISA相似的组成，硬件实现略有不同。
因此，严格来说，计算机有三个方面：ISA，组成以及硬件。
计算机架构师要考虑的内容：
1.4 技术趋势
在系统架构中，有些技术一直在发生剧烈的变化，比如：
a) 晶体管逻辑技术
晶体管密度在增加，晶片尺寸在增大
b) 半导体DRAM
也就是通常说的内存，增长越来越慢
c) 半导体闪存
d) 磁盘技术
e) 网络技术
以上这些技术，都在制约计算机的发展速度。