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Computer Abstractions and Technology

约 955 个字 1 张图片 预计阅读时间 4 分钟

graph LR;
A["Computer 
    System"]
B["Software"]
C["Hardware"]
D["CPU"]
E["Memory"]
F["I/O
    interface"]
G["Control unit"]
H["Datapath"]

A--->B
A--->C
C--->D
C--->E
C--->F
D--->G
D--->H

Eight Great Ideas in Computer Architecture

有一些在实际的题目中难以区分，需要注意题目中的某些暗示。

  • Design for Moore’s Law (设计紧跟摩尔定律)
    • Moore's Law: Integrated circuit resources double every 18-24 months.
  • Use Abstraction to Simplify Design (采用抽象简化设计)
    • 采用层次化、模块化的设计
  • Make the Common Case Fast (加速常见事件)
  • Performance via Pipelining (通过并行提高性能)
  • Performance via Pipelining (通过流水线提高性能)
    • 所有流程同时进行，每个流程工作的对象是相邻流程的产品
  • Performance via Prediction (通过预测提高性能)
  • Hierarchy of Memories (存储器层次)
    • Disk / Tape \(\xrightarrow{Files}\) Main Memory(DRAM) \(\xrightarrow{Pages}\) L2-Cache(SRAM) \(\xrightarrow{Blocks}\) L1-Cache(On-Chip) \(\xrightarrow[Operands]{Instr.}\) Registers
  • Dependability via Redundancy (通过冗余提高可靠性)

Components of a Computer

The five classic components of a computer:

  • input;
  • output;
  • memory (DRAM);
    • 程序、数据存储的地方，也是程序“运行的位置”；
    • cache memory (SRAM): buffer for the DRAM memory;
  • datapath;
    • 负责实际的数据处理；
  • control;
    • 负责指挥控制如何进行数据处理，给出控制信号；

computer system

Performance

衡量计算机的性能和表现的重要标准是“运行速度”

  • Response Time / Execution Time 从程序开始到结束的时间
  • Throughput(吞吐量) / Bandwidth 单位时间内完成的任务数量
\[ Performance = \frac{1}{Execution\ Time} \]

当我们衡量一个 CPU 的性能，或者具体分析一个 CPU 的性能构成时，就需要更加具体的指标:

  • CPU (execution) time（CPU 执行时间）
  • CPU clock cycle（时钟周期数）
  • clock rate(frequency)（时钟频率） / clock cycle time（时钟周期）
\[ \begin{aligned} CPU\ Time &= CPU\ Clock\ Cycles \times Clock\ Cycle\ Time \\ &= \frac{CPU\ Clock\ Cycles}{Clock\ Rates} \end{aligned} \]
  • IC (Instruction Count): 指令总数
  • CPI (cycles per instruction): 平均每条指令所需要的时钟周期数 = 总时钟周期数 / IC，一般与编译器有关
  • 若不同的指令有不同的 CPI，则我们可以用 Average CPI
\[ \begin{aligned} Clock\ Cycles &= Instruction\ Count \times Cycles\ per\ Instruction(CPI)\\ CPU\ Time &= Instruction\ Count \times CPI\times CPI\ Cycle\ Time\\ &= \frac{Instruction\ Count \times CPI}{Clock\ Rate} \end{aligned} \]

综上，可以得到 $ CPU Time = \frac{Instructions}{Program} \times \frac{Clock Cycles}{Instruction} \times \frac{Seconds}{Clock Cycle} $

一些常见名词

MIPS: Millions of Instructions Per Second

  • 在其他参数都相同时才有比较意义
  • 在不同的 ISA 之间不能仅凭 MIPS 比较；也不可用于比较指令的复杂程度

ISA: 指令集合架构(Instruction Set Architecture)

定义了计算机硬件与软件之间的接口。它具体包括：

  • 支持的指令类型（数据处理、控制、输入/输出等）
  • 数据类型（整数、浮点数、字符等）
  • 寄存器设计（寄存器数量和类型）
  • 地址模式（如何计算指令操作数的地址）

RISC（Reduced Instruction Set Computing）是一种指令集设计理念

  • 指令数量较少，且所有指令都在单个时钟周期内执行。
  • 每条指令长度相同，通常为固定大小。
  • 使用大量的寄存器以减少内存访问。
  • 简化的寻址模式，提高了执行效率。
  • 硬件设计更简单，易于流水线操作，提高了性能。

MISC（Minimal Instruction Set Computing）是一种极简指令集设计

  • 指令集非常小，通常只有几条基本指令。
  • 每条指令可能需要多个周期才能执行。
  • 多数指令依赖于程序的所有操作通过少量基本指令组合完成。
  • 硬件实现简单，小型设备或特定应用中常见。

CISC（Complex Instruction Set Computing）是另一种指令集设计理念

  • 包含大量指令，且每条指令可以执行复杂的操作。
  • 指令长度不固定，许多指令可以通过一条指令进行多步操作。
  • 支持更多的寻址模式和数据类型。
  • 可以减少程序的大小，因为许多操作可以通过单条指令完成。

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