计算机设计的定量原理-Read

计算机设计的定量原理

在计算机设计中，最重要且应用最广泛的准则就是提高经常发生事件的执行速度，也就是说，在设计上必须有所妥协时，一定更有利于较常发生的一方。这条原则对于如何分配资源同样适用，因为机器在经常出现的情况下的性能对机器的整体性能影响更大。提高经常发生事情的执行速度，会更加显著地提高机器的性能。另外，经常出现的情况一般比不经常出现的情况要简单一些，提高性能相对容易。

用这条原则时，我们必须首先弄清楚什么是经常出现的情况以及提高这种情况下机器的运行速度对计算机的整体性能提高有多大贡献。一个基本的定律，也就是阿姆达尔定律，可以将此原则定量化。

阿姆达尔定律告诉我们：通过使用某种较快的执行方式所获得的性能提高与可使用这种较快执行方式的部分所占的比例的有关。

阿姆达尔定律定义了采用特定部件所取得的加速比。假定如果我们使用某种增强部件，计算机的性能就会得到提高，那么加速比就是下式所定义的比率：

加速比反映了使用增强部件后完成一个任务比不使用增强部件完成同一任务加快了多少。阿姆达尔定律为计算某些情况下的加速比提供了一种便捷的方法。加速比主要取决于两个因素：

1. 在原有的计算机上，能被改进并增强的部分在总执行时间中所占的比例。这个值我们称之为增强比例，它永远小于等于1。

2. 通过增强的执行方式所取得的改进，即如果整个程序使用了增强的执行方式，那么这个任务的执行速度会有多少提高，这个值是在原来条件下程序的执行时间与使用增强功能后程序的执行时间之比。

原来的机器使用了增强功能后，执行时间等于未改进部分的执行时间加上改进部分的执行时间：

例1.2 假定采用以下的增强方式，我们能把原机器的40%时间里的速度加速到10倍快，那么增强性能后总的加速比是多少？

解：增强比例=0.4

增强加速比=10

可以看出，阿姆达尔定律反映的是报酬减少的效果，即只对计算中的一部分性能作改进时，其加速随着改进越多而效果越小。阿姆达尔定律的一个重要推论是，如果某一增强仅对某一任务的某一部分有作用，那么该任务总的加速比不会超过1减去此比例之后所得数的倒数。

同学们在应用阿姆达尔定律时，一个常犯的错误是把"未改进前要改进部分时间所占的比例"和"改进后改进部分时间所占的比例"混淆。如果我们在计算中使用的是改进后改进部分时间所占的比例，而不是改进前要改进部分时间所占的比例，就会得到错误的结果。

阿姆达尔定律提供了一种计算改进性能指标的方法，以及如何分配资源才能改进性能价格比。很明显地，其目标是要使资源花费与时间花费成比例。我们可以利用阿姆达尔定律比较两种设计方案，

如下面例子所示。

例1.3求浮点数（FP）平方根的不同实现方法在性能上可能有很大差异。假定求浮点数平方根（FPSQR）的操作在某台机器上的一个标准测试程序中占总执行时间的20%。一种方法是增加专门的FPSQR硬件，可以将FPSQR的操作速度提高为原来的10倍。另一种方法是提高所有的FP运算指令的执行速度；FP运算指令在总执行时间中占50%。设计小组认为可以把所有的FP指令的执行速度提高为原来的两倍从而达到提高求浮点数平方根操作的速度。试比较这两种方法。

解：我们可以通过计算两种方法的加速比来比较其效果：

提高所有浮点指令性能的总体效果要好一些，因为浮点操作所占的比重比较大。

在上面的例子中，我们需要知道新的改进后的FP操作所耗费的时间；通常直接测量这些时间是很困难的。在下一节中我们可以用另一种方法进行比较，它是把CPU 时间分成独立的三部分。如果我们能够知道一种方案如何影响这三个分量，我们就能确定这种方案的总的性能影响。我们还可以在硬件设计出来前用模拟器来测量这些分量。