计算机组成与设计（一）——计算机概要与技术



1.计算机系统结构设计8个思想

    1.1 面向摩尔定律设计

        摩尔定律指出，单芯片上的集成电路，每18~24个月翻一番，而计算机设计时间周期长，因此需要提前预估好计算机设计完成时候的工艺水平

    1.2 抽象简化设计

        计算机架构师必须发明能够提高产量的技术，否则设计时间也将会向资源规模一样按照摩尔定律增长，因此，需要利用抽象的设计思想去屏蔽不同层次之间的细节。最终呈现一个简化的模型。

    1.3 加速大概率事件

        需要通过实验和评估确定什么事件发生概率较大，并进行优化。

    1.4 并行提高性能

        

    1.5 流水线提高性能

    

    1.6 预测提高性能

    1.7 存储器的分层次设计

        将存储器的结构设计为金字塔模型，越接近塔尖，速度越快，容量越小，价格越昂贵。

    1.8 利用冗余提高可靠性

        

2.中央处理单元（CPU）

    2.1 本质：集成电路，俗称芯片，芯片之中包含处理器，是计算机中最活跃的部分。

    2.2 逻辑组成：包括数据通路和控制器。

        2.2.1 数据通路：处理器中执行算数操作的部分

        2.2.2 控制器：处理器中根据程序的指令指挥数据通路、存储器和IO设备的部分

3.内存

    3.1 含义：程序运行时的存储空间，同时还存储程序运行时所需要的数据。

    3.2 DRAM：动态随机访问存储器，一种集成电路形式的存储器，内存由多个DRAM芯片组成，用来承载程序的指令和数据。

    3.3 SRAM：静态随机访问存储器，一种集成电路形式的存储器，速度比DRAM更快，集成度更低

4.数据安全

    4.1 易失性存储器（主储存器）：关闭电源时，数据会丢失；如内存

    4.2 非易失性存储器（二级储存器）：断电之后，数据不会丢失；如硬盘，磁盘等

*5.性能

    5.1 衡量标准：吞吐率/响应时间（执行时间）

        5.1.1 响应时间：计算机执行某项任务所需要的总时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O活动、操作系统开销和CPU执行时间等。

        5.1.2 吞吐率：也称为带宽，表示单位时间内完成的任务数量。

    5.2 性能表达公式（1）：性能 = 1 / 执行时间  

    

    5.3 性能的度量

        就响应时间而言，可以进一步细化性能度量标准。

        5.3.1 CPU执行时间：表示执行某一任务在CPU上所花费的时间。不包括等待I/O或运行其他程序的时间。

            1. 用户CPU时间：在程序本身所花费的CPU时间

            2. 系统CPU时间：为执行程序而花费在操作系统上的时间

    

    5.4 CPU性能公式：

        5.4.1 程序CPU执行时间公式

            （1）   一个程序的CPU执行时间 = 一个程序的CPU时钟周期 × 时钟周期时间

            （2）   一个程序的CPU执行时间 = 一个程序的CPU时钟周期 / 时钟频率

        

        5.4.2 指令性能：

            上述公式，没有涉及到程序所需要的指令，然而，由于计算机是通过执行指令来运行程序的，因此一个程序所需要的时钟周期数可以写为：

           （3） 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，clock cycle per instruction）

            将（3）代入（1），（2）分别可得：

            

           （4） CPU时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期时间

           （5） CPU时间 = 指令数 × CPI / 时钟频率

            这里再进一步给出，响应时间的计算公式：

           （6）  执行时间 = 秒 / 时间 = 指令数 / 程序 × 时钟周期数 / 指令 × 秒 / 时钟周期

            上述公式，都是以时间作为衡量性能的标准，除了时间之外，还可以用一种MIPS（million instruction per second，每秒百万条指令）取代时间以度量性能：

            （7） MIPS = 指令数 / （执行时间 * 10^6）