计算机抽象与技术

Chapter 1: Computer Abstractions and Technology

本章关注两个话题——

1. 计算机设计的八大思想、计算机系统的概念
2. 设计单处理器计算机系统，如何衡量性能指标

计算机系统#

计算机科学的发展：几十年来，在 Moore’s Law 摩尔定律的推动下，计算机的性能和复杂性在过去的几十年里有了显著提升，驱使人工智能技术的进步。这一定律关注集成度，也就是芯片上晶体管的数量、密度。

计算机分类：按大小，分为——个人计算机、服务器、高性能计算机、嵌入式计算机。

Machine Structure：运算器（Datapath）、控制器（Control）、存储器、输入、输出。

其中连接软件和硬件的接口是黄色部分：ISA（Instruction Set Architecture，指令集架构）是机器结构的一个重要方面，定义了程序员与计算机硬件之间的接口。只有设计好了ISA，才能设计出计算机硬件。（第二章）

常见的指令架构包括：RISC-V，x86-64，ARM，Loongarch.

What you will learn：

• How programs are translated into machine language.
• The hardware designers improve
• What determines program performance
• How to improve program performance
• parallel processing

计算机设计的八大思想：

• Design for Moore’s Law：
• Use abstraction to simplify design：可以让同一个程序在不同的硬件上运行，只与ISA有关。
• Make the common case fast：让加法器最快，因为加法是最常用的。
• Performance vis parallelism：并行
• Performance via pipelineing：流水线
• Performance via prediction：预测
• Hierarchy of memories： 存储器的层次结构
• Dependability via redundacy： 冗余

冯诺伊曼机的三个主要特点：

• 五大部件
• 顺序执行
• 存储程序

性能评价#

Throughput 吞吐量：单位时间完成的工作量。这对单CPU计算机没有意义，只对于并行计算机有意义。

Elapsed time：完成一个工作所需要总的时间，包括等待时间，所以不能完全体现CPU的性能。

CPU time：程序在 CPU 上实际消耗的时间，不含等待时间。

CPU 具有时钟周期，是固定的时间间隔 Clock cycle time，由 CPU Frequency 主频决定

Clock period 和 Clock Frequency：

• 一个时钟周期的时间长度

• 常见单位：

  • $1\,\text{ps}=1\times 10^{-12}\,\text{s}$.
  • 1 Ghz 表示 $10^9$ 个周期每秒，周期时间为 $1\,\text{ns}=10^{-9}\,\text{s}$.

• Clock period 的倒数是 Clock Frequency.

每条指令需要若干个时钟周期来完成，所以可以统计总周期数来计算 CPU time：

$$\text{CPU time} = \text{CPU clock cycles} \times \text{Clock cycle time}$$

主频提高会导致周期数增加， 所以在设计 CPU 时需要考虑折中二者。

然而，计算 Clock cycle time 较为困难，因此我们引入 Cycles Per Instruction, CPI，表示每条指令平均需要多少个时钟周期，则：

$$\text{CPU time} = (\text{Instruction count} \times \text{CPI})\times \text{Clock cycle time}$$

CPI 不止与指令集相关，ISA 相同只代表 Instruction count 相同。

RISC-V 是 RISC 简单指令集，每条指令周期数差别不大，然而例如 x86 等 CISC 指令集的指令周期数差别较大，继续使用 CPI 计算 CPU time 不太适用，因此分类计算，将 CPI 拆分为各类指令的 CPI 乘以该类指令的数量之和，得到更准确的计算公式：

$$\text{CPU time} = \left(\sum_{i=1}^{n} \text{Instruction count}_i \times \text{CPI}_i\right)\times \text{Clock cycle time}$$

影响性能的因素：

• Algorithm: affects IC, possibly CPI

• Programming language: affects IC, CPI

• Compiler: affects IC, CPI

• Instruction set architecture: affects IC, CPI, T_c

谬误#

提升程序部分的性能并不能提升整体性能。

Amdahl’s Law：如果一个程序的某个部分加速了 S 倍，而该部分占总运行时间的 F，那么加速后的总运行时间为：

$$\text{New Time} = \text{Old Time} \times \left((1-F) + \frac{F}{S}\right)$$