计算机体系结构：功耗与性能优化

"这是一份关于高级体系结构的文档，主要涵盖了沈海华老师的课程内容，包括RISC和CISC架构的区别、处理器性能优化、功耗管理、阿姆达尔定律和摩尔定律等核心概念。文档还讨论了执行时间的计算、功率与能量的关系以及如何优化缓存性能以降低缺失率。" 在计算机体系结构中，RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)是两种主要的设计范式。RISC设计强调简洁、高效的指令集，如固定长度指令、简单的解码和较少的寻址模式，旨在提高处理器速度。相反，CISC采用更复杂的指令，允许更多的操作在单条指令中完成，但通常需要更复杂的硬件支持。 阿姆达尔定律描述了并行处理对整体系统性能的影响，指出只有当问题中所有部分都能并行处理时，才能实现最大加速比。摩尔定律预测了集成电路中晶体管数量每两年翻一番，从而推动了芯片性能的持续提升。 在性能和功耗方面，执行时间由指令数量、每个指令的周期数和每周期耗时决定。功耗则分为动态功耗（与电压和频率平方成正比）和静态功耗（漏电流引起）。考虑到散热限制，芯片中并非所有晶体管都能同时工作，这种现象被称为暗硅(Dark Silicon)。 缓存性能是系统效率的关键因素。缺失导致阻塞的AMAT(平均访问时间)包含了命中时间和缺失率乘以缺失惩罚。优化缓存策略，如增大块大小、增加缓存容量、使用关联缓存或优先级读写，可以降低缺失率和损失，但也会带来额外的延迟。 文档中提到的cache不命中分类主要分为三类：强制不命中(首次访问不在缓存的数据)、容量不命中(缓存大小不足以存储所有活跃数据)和冲突不命中(地址映射到同一缓存行导致的不命中)。通过针对性的优化，可以有效提升系统的整体性能和能效。 这份文档提供了深入理解高级体系结构的知识框架，不仅涵盖基础概念，还涉及到实际性能优化策略，对于学习和复习该领域的知识非常有价值。