文章目录
- 一：引言
- 二：8个伟大思想
- 三： 程序概念入门
- 四：硬件概念入门
- 五： 处理器和存储器
- 六：性能
- 七：功耗
- 八：单处理器→多处理器
- 九：Intel Core i7实例
- 十：谬误与陷阱
- 十一：参考书目
- 十二：个人注解
一：引言
1.1计算机的分类
相同点：使用了一套通用的硬件技术。
不同点：设计需求不同、硬件实现方式不同。
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个人计算机： 单用户、低廉、使用第三方软件。
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服务器： 借助网络访问、执行大负载任务、使用定制软件、强大的计算、存储和I/O能力、多用户并行运行。
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超级计算机： 多台处理器组成、内存TB级、昂贵、高端科学和工程计算、高性能、服务器的分支。
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嵌入式计算机： 数量最多、应用和性能广泛、运行单一的或一组相关的程序、通常和硬件集成在一起、成本功耗要求严格、故障敏感。
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相关阅读： 存储级别表示、处理器核。
1.2后PC时代
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个人移动设备PMD： 包括智能手机、平板电脑、电子眼镜等。使用电池供电、无线连接入网、价格低廉、触摸屏或语音等进行输入、下载APP等第三方软件。
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云计算： 替代了传统的服务器、依赖于仓储规模计算机（WSC）的数据中心、通过云计算实现软件即服务（SaaS）、网络上提供服务器服务。
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二：8个伟大思想
1.面向摩尔定理的设计单芯片的集成度每18~24个月翻新。
2.使用抽象简化设计用来提高软硬件的生产效率、抽象表示不同设计层次，高层看不到低层细节。
3.加速大概率事件 远比优化小概率事件更能提高性能。
4.通过并行提高性能 （这年头就是打群架的时代）
5.通过流水线提高性能特别的并行场景（排队水桶传递灭火）
6.通过预测提高性能 错误预测代价不高时、预测准确率较高时。（胆大心细）
7.存储器层次 通过存储器层次解决供需矛盾。（好钢用到刀刃上）
8.通过冗余提高可靠性冗余部件可以替代失效部件并检测出错误。（备胎）
三： 程序概念入门
1.软件层次： 硬件–>系统软件–>应用软件（可以有多层）
2.系统软件： 包括操作系统、编译程序、编译程序、加载程序
2.1 操作系统 常见的Windows、Linux、IOS。用户程序和硬件之间的接口，提供各种服务和监控功能。处理输入输出服务、分配内存和外存、提供计算机资源共享服务。
2.2 编译程序 把高级语言翻译成机器语言。
3.从高级语言到机器语言 高级语言→汇编语言→机器语言。高级语言到汇编语言使用编译程序，汇编语言到机器语言使用汇编程序。
四：硬件概念入门
1.计算机的功能 输入、输出数据；处理数据；存储数据
2.计算机的组成部件 输入设备、输出设备、存储器、数据通路（运算器）、控制器。其中数据通路+控制器=处理器。无线网络既是输入设备，也是输出设备。
3.输入输出设备： 显示器、触摸屏、摄像头、麦克风、耳机插孔、扬声器、加速计、陀螺仪、Wi-Fi网络、蓝牙网络
4.数据通路： 完成算数运算
5.控制器： 指导数据通路、存储器、I/O设备。
6.处理器： 控制器+数据通路。称作中央处理单元（CPU）
7.内存： 程序运行时的存储空间，保存着程序运行时的数据。它由DRAM芯片组成，DRAM访问内存所需时间基本相同。
8.缓存： 在处理器内部使用，一般作为DRAM的缓冲，采用SRAM。
五： 处理器和存储器
1.集成电路IC： 由成千上万个晶体管组成的芯片。芯片的集成度稳定增长，DRAM的容量每三年增加4倍。
六：性能
1.性能的评价指标
响应时间：
又称执行时间，指一个任务完成所需要的时间（硬盘访问、内存访问、I/O访问、操作系统开销、CPU执行时间）
吞吐率：
又称带宽，指单位时间内完成任务的数量。
相互影响关系：
降低响应时间几乎都可以增加吞吐率；当任务很多时（任务需要排队），增加吞吐率也会降低响应时间。
2.相对性能
性能=1/执行时间
两台计算机性能比较：性能x/性能y=y执行时间/x执行时间=n
称作增加性能或者降低执行时间。
3.性能的度量
CPU时间：
执行某一任务在CPU上花费的时间。不包括I/O等时间。CPU时间=用户CPU时间+系统CPU时间
用户CPU时间：
程序本身花费的时间。
系统CPU时间：
执行某程序在系统上花费的时间。
系统性能：空载系统的响应时间。
CPU性能：用户CPU时间。
时钟周期：计算机一个时钟周期的时间，通常是处理器时钟。时钟频率是其倒数。
时钟长度：每个时钟周期持续的时间长度。
4.CPU性能及其因素
CPU时间=时钟周期数时钟周期=时钟周期数/时钟频率
5.指令的性能
CPU时钟周期数=指令数每条指令的平均周期数（CPI）
6.经典CPU性能公式
CPU时间=时钟周期CPI指令数
程序性能影响因素：
| 因素 | 结果 |
|---|---|
| 算法 | 指令数、可能的CPI |
| 编程语言 | 指令数、CPI |
| 编译程序 | 指令数、CPI |
| 指令集 | 指令数、CPI时钟频率 |
七：功耗
CMOS技术的动态能耗：正比于负载电容电压^2
一个晶体管消耗的能耗：正比于1/2负载电容电压^2
每个晶体管消耗的功耗：正比于 能耗开关频率
开关频率：时钟频率的函数；
负载电容：连接到输出上的晶体管数量和工艺的函数。它决定了导线和晶体管的电容
目前功耗问题：电压继续下降导致晶体管泄漏电流过大。
八：单处理器→多处理器
1.目的： 单片微处理器中加入多个处理器，以期达到更大的吞吐率。
2.问题： 程序员需要重写程序以充分利用多处理器的优势，来改进响应时间。
3.显示并行程序编写的困难： 需要位用户或其他程序提供接口；每个核上有大致相同数量的任务；尽量减小调度开销。
九：Intel Core i7实例
测试计算机性能通常使用一组程序集构成的工作负载来评价计算机。目前一般使用SPEC CPU基准测试程序。
十：谬误与陷阱
1.陷阱：在改进计算机的某个方面时期望总性能的提高与改进大小成正比
Amdahl定律：
改进后的执行时间=受改进影响的执行时间/改进量+不受影响的执行时间
2.谬误：利用率低的计算机功耗低
Google仓储式计算机中，10%的工作负载却消耗了1/3的峰值功耗。
3.谬误：面向性能的设计和面向能量效率的设计具有不相关的目标。
能耗=功耗时间。所有优化的部分工作时能耗可能高了一些，但是运行时间缩短了。并且在运行一个程序时，其余的部分也在消耗能量。所以优化后总的功耗可能会下降
4.陷阱：用性能公式的子集去度量性能
例如使用MIPS来衡量性能。
MIPS=指令数/执行时间
我们无法用MIPS来比较不同指令集的计算机。同一个计算机上不同程序也会有不同的MIPS。一个新程序执行的指令数更多，但是每条指令执行的速度更快，则MIPS的变化与性能无关。
十一：参考书目
帕特森|亨尼斯. 计算机组成与设计 : 硬件/软件接口|RISC-V版|the hardware/software interface|RISC-V edition[M]. 北京 : 机械工业出版社, 2020
十二：个人注解
本文做为个人学习笔记，能力有限。若有遗漏或不准确的地方，希望能够得到各位的指正。
