计算机组成与设计 - 硬件/软件接口 - 第一章

今天开始看这本书，后续都是读书笔记。看的是ARM版。

 

第一章的标题是：计算机的抽象与技术

1.1 引言

这部分主要概括了计算机的诞生给人类的发展带来的贡献，并且在农业革命、工业革命之后，促进了人类的第三次革命--信息革命，这次革命影响深远，诞生了很多之前只存在于科学幻想中的产物，如车载计算机，手机，人类基因项目，万维网以及搜索引擎等。

1.1.1 计算机应用的分类和特点

所谓计算机应用的分类，就是按照不同的使用场景，把计算机分为几类。比如个人计算机，服务器，嵌入式计算机等。

个人计算机

• 为单个用户提供良好性能
• 价格低廉
• 运行第三方软件

服务器

• 通过网络访问
• 执行大负载任务
• 运行定制的软件
• 更强的计算、存储和I/O能力
• 更可靠
• 价格高

嵌入式计算机

• 应用广泛
• 运行单一应用
• 软硬件一同交付
• 低成本
• 低功耗
• 高可靠性（简化设计来实现）

1.1.2 后PC时代

出现了和传统PC时代不同的设备，比如PMD（Personal Mobile Device）、云计算（SaSS) 等。

1.1.3 能学到啥

要开发出高性能的应用程序，就需要对计算机的组成原理有所了解。书里会介绍这些内容：

第一章：基本概念和定义，如何理解软硬件、如何评价性能和功耗，介绍集成电路技术，解释多核迁移的原因等；

第二章：编程语言、编译器和体系结构等；

第三章：编程语言、编译器和体系结构等；

第四、五、六章：处理器和存储系统，I/O系统等。

1.2 计算机体系结构中的8大思想

1.2.1 面向摩尔定律设计

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。

1.2.2 使用抽象简化设计

开发能够提高效率的技术，隐藏底层的细节，向高层呈现简化后的模型。

1.2.3 加速大概率事件

common case fast，优化大概率时间更容易提高性能，不过要能够试验和测量哪些是大概率时间。

1.2.4 通过并行提高性能

并行执行操作可以提高性能。

1.2.5 通过流水线提高性能

并行技术的一种，可以提高性能。

1.2.6 通过预测提高性能

求认准许不如求人原谅，predicition也是一个伟大的思想，如果预测的准确率较高，预测错误后恢复的代价也不大，那么可以猜测的方式提前开始工作。

1.2.7 存储器层次结构

存储器的速度影响性能，容量影响解题的规模，通过层次化架构可以达到均衡。

1.2.8 通过冗余提高可靠性

任何物理器件都会失效，因此增加冗余器件来提高可靠性。

1.3 程序表象之下

表象之下也是抽象。软件的层次结构：应用软件、系统软件、硬件。

系统软件：

• 操作系统
  • 处理基本的输入和输出
  • 分配内存和外存
  • 提供计算机资源的共享和保护
• 编译器
  • 把高级语言翻译为机器指令

二进制位，指令 -> 汇编语言 -> 高级语言

 

1.4 硬件包装之下

组成计算机的五个经典部件：

• 输入设备（）
• 输出设备（显示器，触摸屏）
• 存储器
• 数据通路（算数逻辑运算单元）
• 控制器

最后两个合称处理器。

1.5 存储器和存储器制造技术

1.6 性能

1.6.1 性能的定义

个人计算机：

• 响应时间 response time（执行时间，execution time）
  • 完成一项任务所需要的总时间
  • 磁盘访问+内存访问+I/O操作+OS开销+CPU执行时间等

数据中心：

• 吞吐率 throughput（带宽，bandwidth）
  • 单位时间内完成的工作量

本书侧重于响应时间或者执行时间的性能

性能 = 1/执行时间

如果机器X比机器Y性能好N倍，那么Y的执行时间是X的N倍。

1.6.2 性能的度量

CPU执行时间（CPU时间）

• 用户CPU时间 -- CPU性能
• 系统CPU时间

时钟周期数

• 由处理器以恒定速率运行时的时钟决定

时钟周期长度

• 每个时钟周期的时间长度

1.6.3 CPU的性能及其度量因素

 

1.7 功耗墙

1.8 单处理器和多处理器

1.9 基准测试

1.10 谬误和陷阱