计算机组成与设计 硬件/软件接口 Risc-v 版

第一章 计算机抽象及相关技术

1.1 引言

1.1.1 传统的计算机应用分类及其特点

个人计算机(Personal Computer, PC) 通用，各种软件;受成本、性能权衡

服务器(Sever Computer) 基于网络;高容量、性能、可靠性;范围从小型服务器到建筑规模;用于为多个用户并行运行大型程序的计算机

超级计算机(Supercomputer) 高端科学和工程计算;最高的能力，但代表了整个计算机市场的一小部分

嵌入式计算机(Embedded Computer) 隐藏为系统的组件;严格的功率、性能、成本约束

1.1.2 欢迎来到后 PC 时代

个人移动设备(Personal Mobile Device, PMD) 电池驱动;连接到互联网;数百美元的;智能手机，平板电脑，电子眼镜

云计算(Cloud Computing) 仓库规模计算机(WSC);软件即服务(SaaS);软件的部分运行在PMD上，部分运行在云;Amazon和谷歌

1.1.3 下面将介绍

1. 程序如何被翻译成机器语言 (以及硬件如何执行它们)
2. 硬件/软件接口
3. 什么决定程序性能 (和如何改进)
4. 硬件设计人员如何提高性能
5. 什么是并行处理

1.2 计算机体系结构中的 8 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、通过预测调高性能、存储层次、通过冗余提高可靠性

1.3 程序表象之下

1.4 箱盖后的硬件

1.4.2 触摸屏

电阻和电容式：大多数平板电脑，智能手机使用电容式；电容式允许同时多次触摸 (取代键盘和鼠标)

1.4.3 打开机箱

CPU之中 数据通路(Datapath)：对数据执行操作 控制(Control)：序列数据路径，内存，…缓存内存(Cache Memory) 小快速SRAM(静态随机访问存储器 Static Random Access Memory)内存，用于立即访问数据

1.4.4 数据安全

易失性主存：在断电时丢失指令和数据。非易失性次存：磁盘、闪存、光盘(CDROM，DVD)

1.4.5 与其他计算机通信

1.5 处理器和存储制造技术

用以下三个公式来计算晶片价格
$$每晶片的价格=\frac{每晶圆的价格}{每晶圆的晶片数\times 良率}$$
$$每晶圆的晶片数\approx \frac{晶圆面积}{晶片面积}$$$$工艺良率=\frac{1}{(1+\frac{单位面积的缺陷数\times 芯片面积}{2}{)}^2}$$

1.6 性能

1.6.1 性能的定义

我们强调
$$性{能}_X=\frac{1}{执行时{间}_X}性{能}_Y=\frac{1}{执行时{间}_Y}$$
$$若有\frac{性{能}_X}{性{能}_Y}=\frac{执行时{间}_Y}{执行时{间}_X}=n称X的执行速度是Y的n倍$$

1.6.2 性能的度量

运行时间：总响应时间，包括所有方面。处理，I/O，操作系统开销，空闲时间。决定系统性能。

CPU 时间：不同程序影响不同的CPU和系统性能

1.6.3 CPU 性能及其度量因素

$$程序的\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{U}执行时间=\frac{程序的\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{U}时钟周期数}{时钟频率}=程序的\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{U}时钟周期来源：杨志邈$$