【计算机组成原理】1_绪论

chap1 绪论

1. 国产芯片现状

• MIPS阵营：龙芯
• X86阵营（常见于桌面和服务器）：兆芯（VIA），海光（AMD）
• ARM阵营（常见于移动嵌入式、手机平板等）：飞腾，海思，展讯，松果
• RISC-V阵营：阿里平头哥玄铁910

2. 冯·诺伊曼结构计算机

2.1 组成

• 硬件系统：运行程序的基本组成部分
  • 运算器
  • 控制器：控制信号的产生方式包括微程序和硬布线
  • 存储器
  • 输入输出设备

• 软件系统：系统软件和应用软件

2.2 层次结构

3. 指令集

  指令集向上承载的是整个软件生态，向下则规范了以处理器芯片为代表的整个硬件生态。根据一份指令集规范，设计一款处理器，其上可以运行同样遵循该指令集规范所编写的软件代码。故而，我们在提到指令集的时候，有时候也指的是其背后的整个软硬件生态系统，包括外围芯片、操作系统、编译器和诸多应用软件（浏览器、游戏软件等）。定义一个新指令集本身并不是一件难事，但更重要的是如何能吸引整个业界乃至全世界一起来共同建设生态，这需要一种开放共享的理念作为基底。
  指令集规范（Specification）和处理器实现（Implementation）是两个不同层次的概念：指令集是规范标准，往往用一本书或几张纸来记录描述，而处理器实现是基于指令集规范完成的源代码
  指令集和处理器是不同层次的概念，但都各自有3中知识产权模式

3.1 指令集评价标准

• 1.成本：更小的芯片=一个晶圆中有更多可用芯片=每颗芯片的成本更低

• 2.简洁性

  • 更简洁的ISA=更小的芯片面积
  • 更简洁的ISA=更简单的设计与验证=更小的人力成本

• 3.性能=程序执行时间

$$perf=\frac{time}{prog}=\frac{inst}{prog}\ast \frac{cycle}{inst}\ast \frac{time}{cycle}$$

减小①：编译优化，对应于更好的指令集设计
减小②：体系结构优化
减小③：即增加主频，对电路关键路径优化，后端物理设计优化，依赖于开源EDA工具

• 4.架构和具体实现的分离：不要让指令集手册的定义约束微架构的实现

• 5.提升空间:一方面可以添加指令：变长指令集可以一直添加，而定长指令集总有一天会把操作码空间用完；另一方面可以自由地添加指令：目前基本上只有RISC-V可以做到：设计，实现，生产，销售

• 6.代码大小

  • 嵌入式处理器：更小的代码=更小的存储器=更低的成本
  • 高性能处理器：更小的代码=更高的缓存命中率=更低的功耗&更高的性能

• 7.易于编程/编译/链接

3.2 RISC-V指令集简介

• 简单：和商业ISA相比简单得多
• 干净的设计
  • 没有历史包袱
  • 与微结构设计解耦：反例MIPS指令集的延迟槽设计
• 模块化：很小的标准基础指令集，很多的标准扩展
• 为扩展性和定制化而设计
  • 变长的指令编码
  • 为扩展指令集预留了很多操作码空间
• 稳定
  • 通过可选扩展，而不是新版本来进行增强
  • 属于开放的RISC-V基金会所有，不受一家公司的决定和沉浮所影响

3.计算机系统性能评价

3.1 非时间指标

3.1.1 机器字长

• 机器一次能够处理的二进制位数：
  • 一般与内部寄存器、运算器、数据总线的位数相等
  • 早期计算机字长一般为16位，目前常见的有32位和64位字长
• 对计算机性能的影响：字长越长，表示数据的范围就越大，精确度越高

3.1.2 主存容量

• 一台计算机主存所包含的存储单元总数：存储单元数x每个存储单元存储的二进制位数
• 对计算机系统性能的影响：增加主存容量可以减少程序运行期间访问辅存的次数，从而提高程序执行速度

3.2 时间指标

3.2.1 主频

  是指CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系

3.2.2 外频

  是指系统总线的工作频率，CPU与主板之间同步运行的速度

标准外频：66MHz、100MHz、133MHz、200MHz、400MHz

3.2.3 倍频

  是指CPU主频与外频之间的倍数，即主频=外频*倍频

3.2.4 CPI

  是指执行一条指令（平均）需要的时钟周期数

$$\begin{array}{rl}CPI& =一段程序中所有指令的时钟周期数之和/指令条数\\ & =\Sigma (程序中各类指令的CPI\ast 程序中该类指令的比例)\end{array}$$

3.2.5 IPC

  是指每个时钟周期内并行执行的指令条数

CPU性能=IPC x 频率f

3.2.6 MIPS

  表示每秒钟执行指令的条数（以百万条为单位）

$$\begin{array}{rl}MIPS& =\frac{指令条数}{执行时间\ast 10^6}\\ & =\frac{指令条数}{(所有指令CPU时钟周期数之和/f)\ast 10^6}\\ & =\frac{f}{CPI\ast 10^6}\end{array}$$

3.2.7 MFLOPS

  表示计算机每秒钟执行浮点操作的次数

3.2.8 CPU时间

执行一段程序所需的时间=CPU时间+I/O时间+存储访问时间+各类排队时延

$$\begin{array}{rl}CPU时间& =程序中所有指令的时钟周期数之和\ast T\\ & =程序中所有指令的时钟周期数之和/f\\ & =CPI\ast 指令条数\ast T\\ & =指令条数/(MIPS\ast 10^6)\end{array}$$