計算機體系結(jié)構(gòu)中的8個偉大思想

計算機架構(gòu)師在過去60年的計算機設(shè)計中提出的8個偉大思想，這些思想無不影響深遠(yuǎn)。時至今日，架構(gòu)師在設(shè)計新處理器時仍會延續(xù)采用這些思想。

1、面向摩爾定律的設(shè)計

計算機設(shè)計者面臨的一個永恒的問題就是摩爾定律( Moore's Law ) 。摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)每18~24個月翻一番。摩爾定律是Intel公司創(chuàng)始人之一GordonMoore在1965年對集成電路集成度做出的預(yù)測。由于計算機設(shè)計通常需要幾年時間，因此項目結(jié)束時芯片的集成度較之項目開始時，很容易翻一番甚至翻兩番。像雙向飛碟射擊運動員一樣，計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)當(dāng)預(yù)測設(shè)計完成時的工藝和技術(shù)水平，而不是設(shè)計開始時的工藝。

2、使用抽象簡化設(shè)計

計算機架構(gòu)師和程序員都需要開發(fā)能夠提高效率的技術(shù)，否則設(shè)計周期會像資源規(guī)模隨摩爾定律增長一樣延長。提高硬件和軟件開發(fā)效率的主要技術(shù)之一是使用抽象( abstraction)來表征不同級別的設(shè)計。從而，低層將細(xì)節(jié)隱蔽起來，呈現(xiàn)給高層的只是一個簡化的模型。

3、加速大概率事件

加速大概率事件(common case fast) 遠(yuǎn)比優(yōu)化小概率事件更能提高性能。大概率事件通常比小概率事件簡單，因而更易于對其進行優(yōu)化以提高性能。加速大概率事件意味著設(shè)計者需要知道哪些事件是經(jīng)常發(fā)生的， 這要經(jīng)過仔細(xì)的實驗與測量過程。

4、通過并行提高性能

從計算誕生開始，計算機架構(gòu)師就給出了通過并行執(zhí)行操作來提高性能的設(shè)計方案。在本書中將會看到許多并行(parallel) 的例子。

5、通過流水線提高性能

在計算機體系結(jié)構(gòu)中，有一種并行技術(shù)非常普遍，這種技術(shù)有一個特殊的名字： 流水線(pipelining) 。例如，許多西部電影中有這樣的場景，在消防車出現(xiàn)之前，人們用“水桶隊列”來滅火一一小鎮(zhèn)居民們一個接一個排成長隊，接力將水桶快速從水源傳至火場，而不是讓每個人來回奔跑運水滅火。

6、通過預(yù)測提高性能

遵循諺語“求人準(zhǔn)許不如求人原諒＂ ，下一個偉大的思想是預(yù)測( prediction) 。假設(shè)預(yù)測錯誤后恢復(fù)的代價不大， 并且預(yù)測的準(zhǔn)確率相對較高，那么通過猜測的方式提前開始工作，要比等到確定知道能執(zhí)行時才啟動要效率高一些。

7、存儲器層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)如今，計算機價格的很大一部分來自于存儲器的開銷。存儲器對程序執(zhí)行有很大的影響，其速度影響著程序的性能， 其容量限制著解題的規(guī)模。因此，程序員總是希望存儲器速度更快、容量更大、價格更便宜。計算機架構(gòu)師發(fā)現(xiàn)，通過存儲器層次結(jié)構(gòu)(hierarchy of memory) 可以來緩解這些相互矛盾的需求。在存儲器層次中，位于頂層的存儲器速度最快、容量最小， 但每位價格最昂貴。反之，處于最底層的存儲器速度最慢、容量最大，但每位價格最便宜。后面介紹的cache 技術(shù)可以給程序員造成一種假象，讓他們感覺自己所使用的主存既有存儲器層次中頂層的高速度，又和底層存儲器一樣價格便宜量又足。

8、通過冗余提高可靠性

計算機工作時不僅要快，還要穩(wěn)定可靠。任何一個物理器件都有可能失效，因此可以通過增加冗余器件的方式提高系統(tǒng)的可靠性(dependable) 。當(dāng)發(fā)生失效時，冗余器件可以替代失效器件并幫助檢測錯誤。例如，牽引式掛車后軸每邊都有兩個雙輪胎，當(dāng)一個輪胎出問題時，另一個輪胎保證卡車仍然可以繼續(xù)行使。（卡車司機發(fā)現(xiàn)故障后，立即開往修理廠修復(fù)輪胎，從而又恢復(fù)了冗余性。）