计算机体系结构中的8个伟大思想

计算机架构师在过去60年的计算机设计中提出的8个伟大思想，这些思想无不影响深远。时至今日，架构师在设计新处理器时仍会延续采用这些思想。

1、面向摩尔定律的设计

计算机设计者面临的一个永恒的问题就是摩尔定律( Moore's Law ) 。摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数每18~24个月翻一番。摩尔定律是Intel公司创始人之一GordonMoore在1965年对集成电路集成度做出的预测。由于计算机设计通常需要几年时间，因此项目结束时芯片的集成度较之项目开始时，很容易翻一番甚至翻两番。像双向飞碟射击运动员一样，计算机体系结构设计师应当预测设计完成时的工艺和技术水平，而不是设计开始时的工艺。

2、使用抽象简化设计

计算机架构师和程序员都需要开发能够提高效率的技术，否则设计周期会像资源规模随摩尔定律增长一样延长。提高硬件和软件开发效率的主要技术之一是使用抽象( abstraction)来表征不同级别的设计。从而，低层将细节隐蔽起来，呈现给高层的只是一个简化的模型。

3、加速大概率事件

加速大概率事件(common case fast) 远比优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简单，因而更易于对其进行优化以提高性能。加速大概率事件意味着设计者需要知道哪些事件是经常发生的， 这要经过仔细的实验与测量过程。

4、通过并行提高性能

从计算诞生开始，计算机架构师就给出了通过并行执行操作来提高性能的设计方案。在本书中将会看到许多并行(parallel) 的例子。

5、通过流水线提高性能

在计算机体系结构中，有一种并行技术非常普遍，这种技术有一个特殊的名字： 流水线(pipelining) 。例如，许多西部电影中有这样的场景，在消防车出现之前，人们用“水桶队列”来灭火一一小镇居民们一个接一个排成长队，接力将水桶快速从水源传至火场，而不是让每个人来回奔跑运水灭火。

6、通过预测提高性能

遵循谚语“求人准许不如求人原谅＂ ，下一个伟大的思想是预测( prediction) 。假设预测错误后恢复的代价不大， 并且预测的准确率相对较高，那么通过猜测的方式提前开始工作，要比等到确定知道能执行时才启动要效率高一些。

7、存储器层次结构

现如今，计算机价格的很大一部分来自于存储器的开销。存储器对程序执行有很大的影响，其速度影响着程序的性能， 其容量限制着解题的规模。因此，程序员总是希望存储器速度更快、容量更大、价格更便宜。计算机架构师发现，通过存储器层次结构(hierarchy of memory) 可以来缓解这些相互矛盾的需求。在存储器层次中，位于顶层的存储器速度最快、容量最小， 但每位价格最昂贵。反之，处于最底层的存储器速度最慢、容量最大，但每位价格最便宜。后面介绍的cache 技术可以给程序员造成一种假象，让他们感觉自己所使用的主存既有存储器层次中顶层的高速度，又和底层存储器一样价格便宜量又足。

8、通过冗余提高可靠性

计算机工作时不仅要快，还要稳定可靠。任何一个物理器件都有可能失效，因此可以通过增加冗余器件的方式提高系统的可靠性(dependable) 。当发生失效时，冗余器件可以替代失效器件并帮助检测错误。例如，牵引式挂车后轴每边都有两个双轮胎，当一个轮胎出问题时，另一个轮胎保证卡车仍然可以继续行使。（卡车司机发现故障后，立即开往修理厂修复轮胎，从而又恢复了冗余性。）