计算机组成与设计01——计算机概要与技术

目录

系列文章目录

一、本课程内容

二、计算机系统结构的8个伟大思想

1.摩尔定律

2.抽象简化

3.加速大概率事件

4.抽象——简化设计

5.API vs. ABI

6.ICs制造

7.计算机的效率

8.指令数和 CPI

8.1 CPI

8.2 复杂CPI

8.3 性能度量

9.功耗趋势

10.一些陷阱

10.1 改进（需求分析） 

10.2 功耗与利用率

10.3 MIPS 

总结

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系列文章目录

本系列博客重点在深圳大学计算机系统（3）课程的核心内容梳理，参考书目《计算机组成与设计》（有问题欢迎在评论区讨论指出，或直接私信联系我）。

第一章 计算机组成与设计01——计算机概要与技术

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梗概

本篇博客主要介绍深入计算机组成与设计全书的核心内容，以及书目第一章计算机概要与技术的相关知识。

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一、本课程内容

二、计算机系统结构的8个伟大思想

1.摩尔定律

Tip：设计时要考虑之后（上市时）的集成电路情况

2.抽象简化

3.加速大概率事件

核心：若代码不断迭代使用，对大概率事件（重要程序）优化工作很有必要

4.抽象——简化设计

5.API vs. ABI

API – 源码兼容

ABI – 二进制兼容

6.ICs制造

图案化切块后多次测试目的：提高空白晶圆的面积使用率

7.计算机的效率

计算机的效率与响应时间和吞吐率有关。

响应时间 （执行时间）：计算机完成某任务所需的总时间

吞吐率 （带宽）：单位时间内完成的任务数

  例如, 任务数/事务数/… 每小时

如何正向影响响应时间和吞吐率

1.将处理器更换为更高速的型号

2.增加多个处理器分别处理独立的任务

Tips:我们重点关注响应时间…

总的响应时间包括所有方面（CPU时间也在内）： 处理, I/O操作, OS 开销, 空闲时间

时钟周期时间 = 1/时钟频率 

样例如下：

8.指令数和 CPI

8.1 CPI

CPI (Clock cycle per instruction): 每条指令所需的时钟周期数的平均值

Tips：一个程序的指令数取决于程序, ISA 和编译器

平均每条指令的时钟周期数

由 CPU 硬件确定

如果不同指令有不同的CPI，那么平均CPI受整个指令集的影响 

8.2 复杂CPI

如果一指令序列有n种不同类型指令，各需不同的时钟周期数（对应CPI定义），那么 

样例如下：

8.3 性能度量

n 程序的性能依赖于：

n 算法 : 影响指令数 , 可能的 CPI

n 编程语言 : 影响指令数 , CPI

n 编译程序 : 影响指令数 , CPI

n 指令集体系结构 : 影响指令数 , CPI, 时钟频率

样例如下（n核并非相对单核有n倍提升，其中有损耗）：

9.功耗趋势

基于 CMOS 集成电路技术的每个晶体管的功耗如下： 

 Tips：功耗与电容、电压、开关频率均成正比（不能无限降低 公式了解即可）

10.一些陷阱

10.1 改进（需求分析） 

例子: 一个程序运行需100秒，乘法操作占80秒

若把程序运行速度提高到5倍，乘法操作的速度该改进多少？

10.2 功耗与利用率

谬误: 利用率低的计算机功耗低

10.3 MIPS 

MIPS为超级计算机，每秒百万条指令，由于无法解释计算机之间指令集的差异与指令之间复杂性的差异，所以不能单一地作为性能指标。

总结

以上便是全书核心内容归纳及第一章——计算机概要与技术的核心知识。在第一章中，主要以计算机系统结构中的8个设计思想、计算机效率与功耗的介绍为主。