计算机组成原理- Chapter1

Chapter1 计算机抽象及相关技术

1.1 性能与相对性能

        某台计算机x性能和程序执行时间的表达式为：
$$性{能}_x=\frac{1}{执行时{间}_x}$$
        若有同时有计算机y，则两台计算机之间的性能比n为：
$$\frac{性{能}_x}{性{能}_y}=\frac{执行时{间}_y}{执行时{间}_x}=n$$

1.2 执行时间

        执行时间分为消逝时间（Elapsed Time）和CPU时间。

1.2.1 CPU时钟

        CPU时钟是数字电路由固定频率的时钟控制。时钟周期是时钟脉冲的间隔时间，例如250ps = 0.25ns = 250 * 10 ^-12s。时钟频率是每秒钟的时钟周期数，例如A4.0GHz = 4000MHz = 4.0 * 10 ⁹Hz。

1.2.2 CPU时间

        CPU时间其实就是CPU在运行某一个程序所需要花费的时间。CPU时钟周期数其实就是CPU为完成运行这个程序所需要进行的周期总数。时钟频率其实就是CPU在每秒钟内可以处理的周期数。从CPU时间遵循的公式：
$$CPU时间=CPU时钟周期数\times 时钟周期=\frac{CPU时钟周期数}{时钟频率}$$

1.2.3指令数和CPI

        指令数是程序在经过编译器编译后生成的需要执行的指令的总数。则CPU时钟周期数可以通过下式求得：
$$CPU时钟周期数=指令数\times CPI$$
其中，CPI是执行每条指令所需的平均时钟周期数。结合CPU时间的公式，可以有：
$$CPU时间=指令数\times CPI\times 时钟周期=\frac{指令数\times CPI}{时钟频率}$$
        针对于CPI，其满足公式：
$$CPI=\frac{CPU时钟周期数}{指令数}$$

1.2.4谬误与陷阱

针对某一个性能进行改进

        在针对某一个性能进行改进时，遵循以下的公式：
$$改进后的执行时间=\frac{受改进影响的执行时间}{改进量}+不受影响的执行时间$$

用性能公式的子集去度量性能

        单纯的使用时钟频率、指令数和CPI之一去评估性能是不合理的，可通过每秒百万条指令MIPS取代时间以度量性能：
$$MIPS=\frac{指令数}{CPU时间\times 10^6}=\frac{指令数}{\frac{指令数\times CPI}{CPU时钟频率}\times 10^6}=\frac{CPU时钟频率}{CPI\times 10^6}$$

1.3 计算机系统结构中的7个伟大思想

        1.使用抽象简化设计，尤其是硬件和软件之间的设计
        2.加速大概率事件
        3.通过并行的提高性能，总线、多个处理器、多线程
        4.通过流水线提高性能，例如指令的执行
        5.通过预测提高性能
        6.存储器层次
        7.通过冗余提高可靠性