计算机组成与设计

计算机概要与技术

1.1 引言

1.1.1 计算应用的分类及其特性

个人计算机、服务器、嵌入式计算机

1.1.2 后pc世代

个人移动设备（personal mobile device PMD）、云计算（cloud computering）软件即服务

1.1.3 概览

第一章 基本概念 软硬件 性能功耗 集成电路

第二章 第三章 编程语言 编译器 体系结构

第四章 第五章 第六章 处理器 存储系统 I/O 系统

1.2 计算机中八个伟大思想

1.2.1 面向摩尔定律的设计

亦即预测设计完成时的工艺水平

1.2.2 使用抽象简化设计

用层次和模型抽象设计

1.2.3 加速大概率事件

提高效率

1.2.4 通过并行提高性能

1.2.5 通过流水线提高性能

1.2.6 通过预测提高性能

1.2.7 存储器层次

缓存

1.2.8 通过冗余提高性能

1.3 程序概念入门

软件层次结构 硬件>>系统软件>>应用软件

系统软件

提供常用服务的软件 包括操作系统 编译程序 加载程序 汇编程序

操作系统是用户程序和硬件之间的接口 处理最基本的输入和输出操作 分配外存和内存 为多个应用程序提供共享计算机资源的服务 是为了使程序更好地在计算机上运行而管理计算机资源的监控程序

编译程序

将高级语言翻译为计算机所能是别的机器语言的程序

从高级语言到硬件语言

二进制位 也成为位 基数为2的数字中的0或1 它是信息的基本组成元素

指令 计算机硬件所能理解并服从的命令

terabyte 简写为 TB 在通信和辅助存储系统 定义为10^12

tebibyte简写为TiB表示为2^40

区分 汇编程序 将指令由助记符形式翻译成二进制形式的程序

汇编语言以助记符形式表示的机器指令

机器语言 以二进制元形式 表示的机器指令

高级编程语言 是 汇编以及机器语言抽象得到

1.4硬件概念入门

计算机基本功能 输入数据 输出数据 处理数据 储存数据

输入设备 为计算机提供信息的装置

输出设备 讲计算结果输出给用户或其他计算机的装置

组成计算机的五个经典部件 输入 输出 存储器 数据通路（运算器）

控制器（和运算器合称为处理器）

1.4.1 显示器

液晶显示 是一种显示技术 用液体聚合物薄层的带电或者不带电来传输或者阻止光线的传输Lcd并非光源 而是控制光的传输

动态矩阵显示 是一种液晶显示技术 使用晶体管控制单个像素上光线的传输

像素（pix）图像元素的最小单元。屏幕由成千上万的像素组成的矩阵而形成

图像由像素矩阵组成 可以 表示成二进制位的矩阵，称为位图（bit map）。彩色显示器使用八位来表示每个三原色，每个像素用24位来表示，可以显示百万中不同的颜色。

计算机硬件采用光栅刷新缓冲区（又称为帧缓冲区）来保存位图以支持图像。要显示的图像保存在帧缓冲区中，每个像素的二进制值以刷新频率读出到显示设备。 使用位图是为了如实的在屏幕上进行显示。

1.4.2触摸屏

被淘汰的电阻屏 和 广泛使用的电容屏

1.4.3 打开机箱

集成电路 也成为芯片，连接几何级数的晶体管。

中央处理器单元 包括数据通路和控制器，能做加法，测试结果，并按结果发出控制信号使I/O设备动作。

数据通路负责完成算术运算，控制器负责指导数据通路 存储器和I/O设备按照程序的指令正确执行。

DRAM 动态随机访问储存器，集成电路形式的储存器，可随机访问任何地址的内存

内存 程序运行时所需的储存空间，同时还储存程序运行时的所需数据

缓存 小而快的存储器，一般为大而慢的储存器做缓冲 可以安全的隐藏事物

静态随机访问存储器SRAM 速度更快并不密集 价格更贵

集中体现了抽象的思想。最重要的抽象是 硬件和底层软件的接口。这种抽象被命名为计算机的指令体系结构，简称体系结构，包括程序员正确编写二进制机器语言所需的全部信息。

提供给应用程序员的基本指令集和操作系统的接口合称为 应用二进制接口（API application binary interface），定义了二进制层次可移植的计算机的标准。

实现 遵循体系结构抽象的硬件。

1.4.4 数据安全

计算机内存是易失性存储器（volatile memory）譬如 DRAM，仅在加电时保存数据。

易失性存储器被称为 主存储器（main/primary memory）非易失性存储器被称为 二级存储器（secondary memory）

DRAM在主存储器中占据主导地位，磁盘 在非易失性中的主导地位过渡给闪存（flash memory）

主存储器 用来保持运行中的程序，一般由 DRAM组成

二级存储器 用来保存两次运行之间的程序和数据，PMD有闪存，服务器是磁盘。

磁盘（magnetic disk）也称为 硬盘（hard disk）

1.4.5 与其他计算机通信

通信 在计算机中高速交换信息

资源共享 部分I/O设备可以由网络上的计算机共享

远距离访问

以太网 传输距离达1000km，速率可达40Gps

局域网（local area network lan）在一定地理范围内，使用的数据传输的网络

广域网 可将区域扩展到几百千米范围的网络

无线网络

1.5 处理器和存储器制造技术

晶体管 （transistor）仅仅是一种受电流控制的开关

集成电路 （IC）由诸多晶体管组成的芯片

超大规模集成电路（very large-scale intergrated circuit） 由数十万到数百万晶体管组成的电路

硅 是一种自然元素，是一种半导体

半导体 导电性能差的物质

添加化学材料后，硅可以转变成可控的导电体或者绝缘体（类似开关）

芯片制造过程（略）

1.6性能

1.6.1·性能定义

响应时间 也叫执行时间 是计算机完成某任务所需要的所有时间 包括 硬盘访问 内存访问 IO活动 操作系统开销 CPU执行时间

吞吐率 也叫带宽（bandwidth）表示单位时间内完成的任务数量

1.6.2性能度量

cpu执行时间 执行某一任务在cpu上所花费的时间 简称cpu时间

用户cpu时间 在程序本身所花费的时间

系统cpu时间 为执行程序而花费在操作系统上的时间

系统性能

cpu性能

时钟周期 （tick 、clock tick、clock period、 clock、 cycle）为计算机一个时钟周期的时间 通常是处理器时钟 一般为常数

时钟长度 每个时钟周期持续的时间长度

时钟频率 如 时钟周期为250ps，时钟频率则为4Ghz

1.6.3 CPU性能及其因素

一个程序cpu执行时间＝一个程序cpu时钟周期数*时钟周期时间

1.6.4 指令的性能

cpu时钟周期数＝程序的指令数*每条指令的平均时钟周期数

CPI 每条表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均

1.6.5 经典的cpu性能公式

cpu时间＝指令数*CPI*时钟周期时间

cpu时间＝指令数*CPI/时钟频率

指令数 执行某程序所需的总指令数量

系统唯一可以控制的是时间

1.7 功耗墙

动态能耗

静态能耗

相对能耗

芯片及其外围系统的散热是仓储规模计算机的主要开销

1.8 单处理器到多处理器的转变

迄今为止，很多软件很像赌场着所写的音乐，使用当代的芯片，我们对于编写二重唱、四重唱、以及小型合奏的经验很少，但是为大型交响乐或者合唱谱曲则是一个不同的挑战

硬件软件接口 显式使用并行方式进行开发是未来的要求 要考虑到平衡资源以及 尽量减少通信和同步的开销

1.9 INTEL COREi7 基准

1.9.1 spec cpu 基准测试程序

1.9.2 spec功耗基准测试程序

1.10 谬误与陷阱

科学一定开始于神话和对神话的批判

陷阱 在改进计算机的某个方面时期望总性能的提供和改进大小成正比

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 阐述了“对于特定改进的性能提升可能由所使用的改进特征的数量所限制”的规则，他是“收益递减定律”的量化版本

谬误 利用率低的计算机功耗低 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

陷阱 用性能公式的一个子集去度量性能

MIPS ＝指令数/（指令时间*10^6） 基于百万条指令的程序执行速度的一种测量。 指令条数除以执行时间与10^6之积就得到了MIPS

1.11本章小结

执行时间是唯一有效且不可被推翻的性能度量方法

1.13 练习题

后续