跳转至

Chap1笔记

Chapter 1: Computer Abstractions and Technology

Tips

Homework: 1.2,1.5,1.6,1.7,1.13

NoughtQ佬的笔记 \(\quad\) 咸鱼暄的笔记

  • RISC Architecture (Reduced Instruction Set Computer)

    指令执行使用了尽可能少的时钟周期、指令编码长度定长等，提高了CPU和编译的效率

Computer Organization

  • Decomposability of computer systems

    rr

    rr

  • Five Classic Components of Hardware

    rr

  • CPU Processor

    Active part of the computer, containing the datapath(进行数据运算操作) and control(根据程序的指示去控制datapath, memory, I/O devices) & adding numbers, testing numbers, signaling I/O devices to activate and so on.

  • Memory:

    1. Memory: the storage area programs that are kept and that contains the data needed by the running programs

    2. Main Memory: volatile; used to hold programs while they are running.

    3. Second Memory: Nonvolatile; used to store programs and data between runs.

    4. Volatile (易失性): DRAM, SRAM

    5. Nonvolatile (非易失性): 固态硬盘/闪存, 硬盘

  • Software Categorization

    1. Categorize software by its use: Systems software & Application software

    2. Operating System:

    3. Compiler: Translation of a program written in HLL

    4. Firmware: software specially designed for a piece of hardware

  • From a High-Level Language to the Language of Hardware

    1. Lower-level details are hidden to higher levels (低级语言的细节将会被隐藏);

    2. Instruction set architecture (指令集): the interface between hardware and lowest-level software;

    3. Many implementations of varying cost and performance can run identical software.

    4. 高级编程语言

    5. 汇编语言

    6. 机器语言 eg.1000110010100000 指的是将两数相加.

  • Integrated Circuit Cost (集成电路成本)

    Yield(良率): proportion of working dies per wafer ( 晶圆上能正常工作的芯片比例 )

    \(\text{Cost Per die = }\dfrac{\text{Cost per wafer}}{\text{Dies per wafer}\times \text{Yield}} \quad \text{每个芯片的成本} = \dfrac{\text{每个芯片的成本}}{\text{每个晶圆的芯片数量}\times \text{良率}}\)

    \(\text{Dies per wafer} \approx \dfrac{\text{wafer area}}{\text{Die area}} \quad \text{每个芯片的成本} = \dfrac{\text{晶圆面积}}{\text{芯片面积}}\)

    \(\text{Yield = }\dfrac{1}{(1+(\text{Defects per area} \times \frac{\text{Die area}}{2}))^2} \quad \text{良率 = }\dfrac{1}{(1+(\text{缺陷密度} \times \frac{\text{单个芯片面积}}{2}))^2}\)

COmputer Performance

  • Response Time and Throughput

    1. Response time/ Execution time: 响应时间/执行时间，完成任务所需时间
    2. Throughput (bandwidth): 吞吐率
    3. 影响因素：增加处理器数量；用更快的处理器

  • Relative Performance

    定义\(\text{Performance} = \dfrac{1}{\text{Execution time}} \Longrightarrow \dfrac{\text{Performance}_X}{\text{Performance}_Y} = \dfrac{\text{Execution time}_Y}{\text{Execution time}_X} = n\)

  • Measuring Execution Time:

    1. Elapsed Time: 总回复时间

    2. CPU Time: 对固定任务的总处理时间， 由User CPU time 和 System CPU time构成.

      \(\text{CPU time} = \text{CPU Clock Cycles} \times \text{Clock Cycle time} = \dfrac{\text{CPU Clock Cycles}}{\text{Clock Rate}}\)

    3. 时钟周期：

      rr

    4. Performance can be improved by reducing number of clock cycles or increasing clock rate. Hardware designer must often trade off clock rate against cycle count (为了提升性能，硬件设计师经常需要在时钟频率和周期数之间做权衡取舍).

  • IC(Instruction Count) and CPI(Cycles per Instruction)

    IC取决于指令集架构. 如果指令集架构相同，那么IC也相同.

    CPI是每条指令的平均周期数，大小取决于内存系统、处理器结构等设计细节.

    \[\text{clock cycles} = \text{instruction count} \times \text{cycles per instruction}\]
    \[\Longrightarrow \text{CPU time} = \text{instruction count} \times \text{CPI} \times \text{clock cycle time} = \dfrac{\text{instruction count} \times \text{CPI}}{\text{clock rate}}\]

    简记：

    \[\text{CPU_T} = \text{IC} \times \text{CPI} \times \text{cct} \quad \text{cc} = \text{IC} \times \text{CPI} \]

    如果CPU执行多种类型的指令，上面的公式修正为加权模式：

    \[\text{CPU Clock Cycles} = \sum\limits_{i = 1}^n (\text{CPI}_i \times \text{Instruction Count}_i)\]

    对性能的概括：

    \[\text{CPU Time} = \dfrac{\text{Instructions}}{\text{Program}} \dfrac{\text{Clock Cycles}}{\text{Instruction}} \dfrac{\text{Seconds}}{\text{Clock Cycle}}\]

    影响因素：

    1. 算法，影响IC，可能还会影响CPI；

    2. Programming Language，影响IC和CPI；

    3. Compiler，影响IC和CPI；

    4. ISA，影响IC,CPI,\(T_C\)；

  • 阿姆达尔定律(Amdahl's Law)

    用于计算系统某一部分性能提升后对整体性能的影响。

    \[T_{\text{improved}} = \dfrac{\text{improvement factor}}{T_{\text{affected}}} + T_{\text{unaffected}}\]

    系统整体性能的提升受限于系统中未被改进部分的性能. ​ * MIPS: 百万指令数每秒(Millions of Instructions Per Second, MIPS)

    \[\text{MIPS} = \dfrac{\text{Instruction Count}}{\text{Execution Time}\times 10^6 } = \dfrac{\text{Instruction Count}}{\dfrac{\text{Instruction Count} \times \text{CPI}}{\text{Clock rate}} \times 10^6} = \dfrac{\text{Clock Rate}}{CPI \times 10^6}\]

    MIPS的局限性：不考虑不同计算机间ISA的差异，也不考虑指令间复杂度的差异，所以在考虑计算机性能时需要参考别的参数.

    CPU固定时，如果程序不同，CPI也可能会不同.

  • Eight Great Ideas （摘编自mem的笔记）

    1. Design for Moore's Law

      这意味着超前设计，为了终止时的情形设计而非刚开始时

      摩尔定律(Moore's Law)：单芯片上所集成的晶体管资源每 18 至 24 个月翻一番。

    2. Use Abstraction to Simplify Design：

      通过抽象化来简化设计，使设计更易于理解和管理。

      采用层次化、模块化的设计。

    3. Make the Common Case Fast：

      加速大概率事件

      如部分指令集设计中的 0 号寄存器。

    4. Performance via Parallelism：

      通过并行提升性能。

    5. Performance via Pipelining：

      通过流水线提升性能。

      换句话说就是，每个流程同时进行，只不过每一个流程工作的对象是时间上相邻的若干产品；

      相比于等一个产品完全生产完再开始下一个产品的生产，会快很多；

      希望每一个流程的时间是相对均匀的；

    6. Performance via Prediction：

      通过预测提高性能。

      例如先当作 if() 条件成立，执行完内部内容，如果后来发现确实成立，那么直接 apply，否则就再重新正常做。 这么做就好在（又或者说只有这种情况适合预测），预测成功了就加速了，预测失败了纠正的成本也不高。

    7. Hierarchy of Memories：

      不同类型的存储器具有不同的速度和容量，不同层次使用不同类型的存储器以提高性能并节约成本。

      从底层(Bigger,slow)到顶层(Smaller,fast)：

      Disk / Tape -> Main Memory(DRAM) -> L2-Cache(SRAM) -> L1-Cache(On-Chip) -> Registers

    8. Dependability via Redundancy

      通过冗余设计来提高系统的可靠性，确保单点故障不会导致系统崩溃。

Tips

1.2 计算机体系结构中的八个伟大思想与其他领域的思想相似。请将计算机体系结构中的八个伟大思想——“面向摩尔定律的设计”“使用抽象简化设计”“加速经常性事件”“通过并行提高性能”“通过流水线提高性能”“通过预测提高性能”“存储器层次”“通过冗余提高可靠性”与其他领域的下列思想进行匹配：

a. 汽车制造中的组装生产线\(\Longrightarrow\) Performance via Pipelining

b. 吊桥缆索\(\Longrightarrow\)Dependability via Redundancy

c. 采用风向信息的飞机和船舶导航系统\(\Longrightarrow\)Performance via Prediction

d. 高楼中的高速电梯\(\Longrightarrow\)Make the Common Case Fast

e. 图书馆的存阅处\(\Longrightarrow\)Hierarchy of Memories

f. 通过增大 CMOS 晶体管的栅极面积来减少翻转时间\(\Longrightarrow\)Performance via Parallelism

g.增加电磁飞机弹射器(不同于当前的蒸汽驱动模型，它采用电驱动)，这可以通过新型反应堆技术增加的电能来实现\(\Longrightarrow\)Design for Moore’s Law

h.制造自动驾驶汽车，其控制系统是安装在汽车上的传感器系统。例如车道偏离检测系统和智能导航控制系统\(\Longrightarrow\)Use Abstraction to Simplify Design