計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)綜述

1、體系結(jié)構(gòu)高性能的追求體系結(jié)構(gòu)高性能的追求計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是選擇并相互連接硬件組件的一門科學(xué)和藝術(shù)，在人們不斷探索研究的過程中，一直在追求計(jì)算機(jī)的功能、性能、功率以及花費(fèi)的高度協(xié)調(diào)，以期達(dá)到各方面的最佳狀態(tài)，在花費(fèi)、能量、可用性的抑制下，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的多功能、高性能、低功率、少花費(fèi)的一個新時代。根據(jù)當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)以上全部要求的一臺計(jì)算機(jī)，還存在著諸多的限制條件，包括邏輯上的以及硬件上的。本篇綜述針對2008年的ISCA會議上的

2、幾篇論文，經(jīng)過仔細(xì)研讀，深刻剖析，這些文章將現(xiàn)在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展遇到的各種瓶頸列出，并給出了相關(guān)的意見及可行的解決方案。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)范圍很廣，定義也很寬泛，它包含了指令集的設(shè)計(jì)、組織、硬件與軟件的邊界問題等等，同時涉及了應(yīng)用程序、技術(shù)、并行性、編程語言、接口、編譯、操作系統(tǒng)等很多方面。作為各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的中心，體系結(jié)構(gòu)一直在不斷地朝前發(fā)展?？v觀計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)一路發(fā)展的歷史，從60年代中期以前，最早的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的早期時代，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

3、的硬件發(fā)展很快，通用硬件已經(jīng)很普遍，但是軟件的發(fā)展卻很滯后，剛剛起步，還沒有通用軟件的概念。從60年代中期到70年代中期，體系結(jié)構(gòu)有了很大進(jìn)步。多道程序、多用戶系統(tǒng)引入了人機(jī)交互的新概念，開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新境界，使硬件和軟件的配合上了一個新的層次，但是此時的軟件由于個體化特性很難維護(hù)，出現(xiàn)了“軟件危機(jī)”。從20世紀(jì)70年代中期開始，分布式系統(tǒng)開始出現(xiàn)并流行，極大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，出現(xiàn)了微處理器并獲得了廣泛應(yīng)用。如今計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

4、發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第四代，硬件和軟件得到了極大的綜合利用，迅速地從集中的主機(jī)環(huán)境轉(zhuǎn)變成分布的客戶機(jī)／服務(wù)器(或?yàn)g覽器／服務(wù)器)環(huán)境，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來。盡管如此，計(jì)算機(jī)在總體上、功能上需要解決的問題仍然存在。隨著RISC技術(shù)、Cache等創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，不僅僅在專業(yè)領(lǐng)域，越來越多的PC機(jī)也在向此靠攏。在每一次進(jìn)步與創(chuàng)新的同時使組件的成本降到最低成為最需要考慮的問題。此次會議上發(fā)表的幾篇論文，分別從以下幾個方面對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與改進(jìn)進(jìn)

5、行了探究。一、新一代服務(wù)器的發(fā)展一、新一代服務(wù)器的發(fā)展在《UnderstingDesigningNewServerArchitecturesfEmergingWarehouseComputingEnvironments》一文中，提出了一個改善服務(wù)器性能的方案。這篇論文旨在試圖理解和為新興的“倉庫計(jì)算”環(huán)境設(shè)計(jì)下一代服務(wù)器。文中有兩個主要其他線程的由于邊界、總線、行緩沖器沖突的請求，而且還會破壞其他線程動態(tài)隨機(jī)存儲器邊界層的并行性。請求那

6、些存在潛在因素否則被重疊能夠有效地序列化。由于公平性和系統(tǒng)工作量的下降，一些線程的掃描需要很長的一段時間。這篇論文從根本上提出了一個設(shè)計(jì)動態(tài)隨機(jī)存儲器控制器的新方法，為線程提供了服務(wù)質(zhì)量，同時也改善了系統(tǒng)的工作量。文中的并行意識分批處理時序（PARBS）基于兩個關(guān)鍵的觀點(diǎn)。首先，PARBS分批地處理DRAM請求來提供公平并且避免請求的餓死。其次，優(yōu)化系統(tǒng)工作量，PARBS采用并行意識DRAM時序安排策略，目標(biāo)在于處理來自一個在DRAM邊

7、界的并行線程的請求，從而通過線程減少內(nèi)存關(guān)聯(lián)，拖延時間經(jīng)驗(yàn)。PARBS無縫地包含了對系統(tǒng)級線程優(yōu)先級的支持，并且能夠?qū)Σ煌瑑?yōu)先級的線程提供不同的服務(wù)層，包括純粹投機(jī)的服務(wù)。我們評價涉及PARBS的設(shè)計(jì)權(quán)衡，并且在4、8、16核系統(tǒng)上把它與4個以前提出的DRAM調(diào)度程序設(shè)計(jì)比較。文中評估顯示，平均每4核超過100的工作量，PARBS改善了1.11X的公平性，而且系統(tǒng)通過與以前最好的時序、延時公平內(nèi)存時序安排（STFM）技術(shù)比較改善了8.3

8、%。基于簡單的優(yōu)先次序規(guī)則請求，PARBS比實(shí)施STFM更簡單。文中提出了一個叫做并行意識分批處理時序（PARBS）的方法，這是一種設(shè)計(jì)動態(tài)隨機(jī)存儲器控制器的新方法，通過分批處理請求以及優(yōu)化系統(tǒng)工作量，為線程提供服務(wù)質(zhì)量，同時也改善了系統(tǒng)的工作量。再一次利用并行的方法，處理并行的線程請求，可以看做在上一文的基礎(chǔ)之上，對處理器做了進(jìn)一步的優(yōu)化，從存儲器的方面來并行處線程，既節(jié)省了內(nèi)存空間，又不影響程序運(yùn)行的并行性。四、內(nèi)嵌磁盤并行性四、內(nèi)

9、嵌磁盤并行性《IntradiskParallelism:AnIdeaWhoseTimeHasCome》一文中，服務(wù)器存儲系統(tǒng)使用大量的磁盤來實(shí)現(xiàn)高性能，因此消耗大量的能量。在這篇論文中，我們建議由這樣的存儲系統(tǒng)通過內(nèi)嵌磁盤并行性顯著地減少能量，在IO請求流中磁盤驅(qū)動器能夠開發(fā)并行性。內(nèi)嵌磁盤并行性能夠幫助一個大的磁盤陣列替換一個較小的，用滿足容量需求的磁盤最小數(shù)目。我們展示了內(nèi)嵌磁盤并行性的設(shè)計(jì)空間很大，而且呈現(xiàn)了用這樣的空間來規(guī)劃特定