计算机组成与设计：硬件/软件接口，第一章详细梳理，附思维导图
CH1 计算机概要与技术
文章目录
- CH1 计算机概要与技术
- 章节导图
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- 一、计算机的分类
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- 计算机的分类
- 存储容量
- 二、计算机系统结构中的8个伟大思想.
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- 2个设计原则
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- 1、摩尔定律
- 2、抽象
- 4个提高性能的方法
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- 3、加速大概率事件
- 4、并行
- 5、流水线
- 6、预测
- 存储器层次与冗余
-
- 7、存储器层次
- 8、冗余提高可靠性
- 三、软硬件基础
-
- 编程语言分类
-
- 机器指令
- 汇编语言
- 高级语言
- 冯·诺依曼结构
- 存储器层次结构
- 指令集体系结构
- 集成电路制造
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- 复习题
- 四、性能与功耗
-
- 评价性能的指标
- CPU经典性能公式
- 经典性能公式
- CPU经典性能公式为什么靠谱
- 功耗
- 并行化基准测试程序
- 复习题
章节导图
一、计算机的分类
计算机的分类
传统上，按照应用，计算机可以分为:
个人计算机(PC)
服务器
适用于执行大负载任务，多用户通过网络并行访问
高端服务器被称为超级计算机
嵌入式计算机是数量最多的一类计算机
进入后PC时代:
往小的方向发展为:个人移动设备(PMD)
往大的方向发展为:仓储规模计算机(Warehouse- ScaleComputer, WSC)，大型数据中心的云计算服务器
存储容量
数量级前缀
两级之间有210 (1024) 倍的数量关系
| 千K | 兆M | 吉G | 太T | 拍P | 艾E | 泽Z | 尧Y |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1024 | 1024e2 | 1024e3 | 1024e4… | ||||
| thousand | million | billion | trillion… |
B (Byte)字节 b (bit) 位 1字节=8位
字节常用于储存容量，位常用于传输速度
i5 +GTX3060+ 8G+512G~ B/b? B
100兆的宽带B/b? b
二、计算机系统结构中的8个伟大思想.
2个设计原则
1、摩尔定律
- 单芯片上的集成度(单位面积硅片能容纳的晶体管数量)每18个月翻一-番
- 提出于1965（大约2015年的时候失效了）
- 芯片设计要依据设计开始/完成?时的工艺水平 完成
2、抽象
省略低层次的细节，提供简化的模型
4个提高性能的方法
3、加速大概率事件
一台计算机绝大部分时间用来打游戏，改进游戏性能还是其他性能更能提高整体性能?
想想你为什么买游戏本（bushi）
定量分析: AmdahI定律
改进后的执行时间 = 改进影响的执行时间 / 改进量 + 改进不影响的执行时间
t改进= t相关/S + t无关
4、并行
同时发生，典型例子是多核处理器
5、流水线
类比工业中的流水线
6、预测
如果
1)预测失误后恢复的代价不高; 2)预测有相当的准确率则可以猜测哪些操作会发生，并提前开始执行
存储器层次与冗余
7、存储器层次
（见第三部分 软硬件基础）
8、冗余提高可靠性
物理器件的“备胎”，失效了就换上
三、软硬件基础
编程语言分类
机器指令
00000011101001001011001111110010
汇编语言和由它汇编出的机器语言一一对应
汇编语言
指令助记符、寄存器标号
addi s 1 , s1, s1,s1,1
一条高级语言语句可以编译出好几条汇编语言
高级语言
语句接近自然语言，提高了程序的可移植性
cnt = cnt + 1
机器语言依赖于机器，所有被称为低级语言
汇编语言呢？高级语言呢？
冯·诺依曼结构
冯结构中的五大经典部件：
外围的①输入设备、②输出设备，合称I/O设备
输入设备:键盘鼠标、扫描仪
输出设备:显示器、打印机
混合I/O设备:触摸屏、网卡
存放程序和数据的③存储器
缓存cache ~ SRAM 快、但是贵（3MB）
主存/内存 ~ DRAM 比较快也比较贵，容量中等（8~16GB）
辅存/外存/二级存储器 ~ 闪存、磁盘 慢但便宜，容量大（基本都是512GB起步）
只有放入内存的程序才能被CPU执行
组成CPU的两大部件：④运算器(数据通路)、⑤控制器
存储器层次结构
CPU的主频在3.5GHz，内存条的主频为2666MHz，通常是谁等待谁？
CPU等待内存条
解决方法:存储器层次(思想7)
顶端:快贵小 → 底端：慢廉大
第一级:：cache (和cash同音) ， 采用SRAM技术
第二级：主存/内存，采用DRAM技术
SRAM、DRAM断电后数据很快消失，为易失性存储器
第三级:辅存，过去常用磁盘，现逐渐被闪存代替
磁盘、闪存断电后不丢失数据，为非易失性存储器
cache位于CPU中
在CPU中塞入cache，好处是：
1）物理距离近：和两大部件通信迅速
2）只要cache能把CPU即将要用的程序，数据，从内存中复制过来，就能缓解速度矛盾。
指令集体系结构
苹果的MI系列芯片为社么性能高且续航持久？
因为其指令集体系结构（架构）与其他芯片不同
CPU的**指令集体系结构（架构，ISA）**根本上是不一样，即可以执行的指令集合大不相同。
一个x86,为了和二三十年前的软件保持兼容，指令只增不减，越来越庞大繁杂
一个ARM,设计思想主张精简，能效出色
教材介绍一个和ARM设计思路相近的架构: MIPS
MIPS和ARM都属于RISC架构(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)x86是典型的CISC架构(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机）
两位作者都是RISC技术的重要奠基人，对x86架构非常唾弃
集成电路制造
晶体管：受电信号控制的简单开关
集成电路（Integrated Circuit ,IC）：由许多个晶体管组成的芯片
制造具体过程不太重要，记住结论:
成品率越高、产量越高、芯片面积越小，芯片的制造成本越低
复习题
1、传统上计算机分为哪三类?后PC时代有哪两类计算机?
PC，服务器，嵌入式
:个人移动设备(PMD) 仓储规模计算机(Warehouse- ScaleComputer, WSC)
2、KB MB GB之上有哪些存储容量单位?
吉G 太T 拍P 艾E 泽Z 尧Y
*3、计算机设计的八个伟大思想是?
摩尔定律，抽象，加速大概率事件，并行，流水线，预测，存储器层次，冗余提高可靠性
4、Amdahl定律的公式为?
改进后的执行时间 = 改进影响的执行时间 / 改进量 + 改进不影响的执行时间
t改进= t相关/S + t无关
5、高级语言经过什么过程变成汇编语言?汇编语言又经过什么变成机器语言?
编译 汇编
6、冯.诺依曼结构由哪五大基本部件组成? CPU主要有哪两大部件?还有少量的哪个部件?
输入 输出 存储器 运算器 控制器
7、存储器层次中，最快贵小的、其次的、最慢廉大的是什么?分别采用什么技术?
高速缓冲存储器Cache 内存 辅存
SRAM DRAM 磁盘/闪存
8、Intel和苹果的处理器架构不同，是什么东西不同?
指令集体系结构
9、成品率、芯片面积、产量如何影响集成电路(IC) 的制造成本?
成品率越高，产量越高，芯片面积越小，芯片的制造成本越低
四、性能与功耗
评价性能的指标
鲁大师、安兔兔这些跑分软件的原理?
SPEC CPU基准测试程序，是-个比较权威的跑分软件
个人计算机更看重响应时间(又称执行时间) ：任务从开始到完成的时间
加载进入游戏需要XXX秒钟.
服务器更看重吞吐率：单位时间内完成的任务数量
一秒钟能把网页发送给XXX个用户
课程主要讨论CPU执行时间 性能=1/执行时间
计算机A的性能是计算机B的几倍? →计算机A的执行时间是B的几分之一?
e.g.运行同一个程序,计算机A用15秒，计算机B用10秒,谁的性能更高?它的性能比另外一台高多少?
B 50%
CPU经典性能公式
CPU时钟周期长度T (CPU干任何事的时间都是一个时钟周期的整数倍)干一件事，即执行一个程序，需要多少个时钟周期?
CPU执行时间=时钟周期数x时钟周期长 CPUtime = cycles x T
任何程序都要以机器语言指令的形式，才能被计算机看懂。所以，执行程序本质上就是执行机器指令!
所以，时钟周期数 = 机器指令的条数 x 条机器指令占用的时钟周期数
不同机器指令需要的周期数不尽相同
所以，每条机器指令占用的时钟周期数(cycles per instruction)是一个平均值，即总周期数/总指令数*
时钟周期数 = 指令数 x 平均每条指令所需周期数 cycles = IC x CPI
综上，得到经典性能公式
经典性能公式
CPU执行时间 = 指令数 x CPI x 时钟周期长 CPUtime = IC x CPI x T
CPU的时钟频率f (主频) :秒钟有多少个时钟周期
T=1/f
所以也能写成
CPU执行时间 = 指令数 x CPI / 主频 CPUtime= IC x CPI / f
主频的单位通常是吉赫兹GHz (G在此处代表109)
e.g.主频为4GHz的CPU,每个时钟周期的长度是多少秒?
某程序共有3亿条指令，其中1亿条的CPI为3, 2亿条的CPI为6,整个程序的CPI是多少?
该CPU执行这个程序需要多长时间?1/4e9
5
3e8*5*1/4e9 = …
CPU经典性能公式为什么靠谱
经典性能公式考虑了指令数IC、平均每条指令需要周期数CPI、时钟周期长度T （也就是主频f的倒数）全部三个因素
使用CPU执行时间这个靠谱的指标来衡量性能
使用什么编程语言和编译程序、采取什么算法，影响指令数和CP|两个因素
采用什么指令集体系结构，影响指令数、CPI、 主频全部三个因素
它们都会影响CPU性能
还有一个衡量性能的指标MIPS (million instructions per second，百万指令每秒)
MIPS = IC / (CPUtime x 10^6) = f / (CPI X 10^6)
因为只考虑了主频（周期长）和CPI两个指标，很受作者唾弃
功耗
在移动设备和WSC中，电能是关键资源
但随着CPU集成度越来越高，晶体管的数量剧增，功耗越来越大、散热越来越难
CMOS (互补型金属氧化半导体)是当前占统治地位的集成电路技术，其中，晶体管的能耗主要来自动态能耗，即晶体管打开/关闭的短暂动态过程
即0 → 1或1 → 0的过程
一个晶体管经历一次0→1→0或1→0→1的开关过程
能耗=负载电容x电压2
开关频率与CPU主频相关
所以，功耗公式为
功耗= 1/2 x 负载电容 x 电压^2 x 开关频率 P = 1/2 CU ^ 2 * f
并行化基准测试程序
CPU设计面临功耗墙问题
从2002年起，单核处理器性能增长速度从每年约52%下降到22%,功耗问题“功不可没”
因此，从单处理器向多核处理器转变成为近年计算机提升性能的主要手段
同时，硬件变成了多处理器，要求程序员重写代码去支持CPU的并行(同时执行)特性
显式并行编程应运而生，但仍有很多需要克服的问题
设有一个单核处理器A，还有一个每个核心都和A相同的四核处理器B，它们运行同一个程序，B的CPU时间能减少到A的1/4吗?
不能，并行关系，单个程序执行的时间是不变的
SPEC是多家计算机销售商共同资助的组织，目的是为现代计算机提供基准测试程序，SPEC CPU基准测试程序用于测试CPU性能，取各项指标得分的几何平均数
复习题
1、PC和服务器分别更看重哪项性能评价指标?
执行时间 吞吐率
2、CPU经典性能公式计算的是什么指标?公式是什么(注意有两个联系密切的版本) ?
CPUTime = IC * CPI * * T CPUTime = IC * CPI * / f
*3、我们是如何得出经典性能公式的?
4、哪四个东西会通过影响性能公式中的某些项,从而影响性能?
编程语言，编译器，算法 影响IC和CPI
ISA 影响IC CPI f
5、MIPS怎么计算?这个性能指标为什么不靠谱?
IC/（CPUTime*1e6）= f / （CPI * 1e6）
只考虑到了CPI 和 f