中国科学院大学_计算机体系结构_胡伟武|汪文祥_第二章

计算机体系结构

胡伟武老师下的定义：计算机体系结构是一门研究计算机软硬件之间的关系的学问。需要“上知天文，下知地理”

什么是计算机？

计算机是人们为了满足各种不同的计算需求而设计的自动化设备。大到一个大屋子放不下，小到电饭煲上的控制模块，这些都是计算机，都是计算机体系结构的研究范围。

计算机的基本组成

冯诺依曼结构：运算器、控制器、存储器、输入和输出五个部分，但是这不是最核心的东西。现代CPU实际上集成了运算器和控制器，也有很多基于冯诺依曼结构的衍生/变种结构，比如哈弗架构。但是其实，冯诺依曼结构最核心的本质是：存储程序。

衡量计算机的指标

有三个：性能、价格和功耗。

性能评价

性能评价的标准

从体系结构来看，常用的评价指标叫MIPS（Million Instruction Per Second），即每秒执行多少条指令。这看起来是一个很合理的指标，但是一条指令能干多少事没讲清楚。如果两台机器使用同一个ISA，跑同样的指令，那么这个指标是有意义的。类似的指标还有MFLOPS（Million Float-point Operations Per Second）。

考点：计算MIPS，根据定义，就是每秒执行多少百万条指令，要记得M是$10^6$.

从逻辑和电路设计角度看，主频就是性能。

不同的角度有不同的性能评价指标，没法评价哪个更好，因此要评价就要有一个大家信服的标准。“是骡子是马，拉出来遛遛”，基于这样的思想，就要建立一系列的基准程序来衡量哪个处理器运算的快，以此作为公认的性能评价标准。基准程序要有足够的代表性、权威性和公开性。SPEC是评价通用CPU的一个基准程序集。

影响性能的因素

《计算机体系结构》一书中，把“完成一个任务所需要的时间”作为性能的最本质的定义。

计算公式如下：

\[CPUTime = \frac{Seconds}{Program} = \frac{Instructions}{Program} \times \frac{Cycles}{Instruction} \times \frac{Seconds}{Cycle}\]

影响性能的因素主要有以下几点：

1. 算法
2. 编译器
3. 指令系统
4. 微结构：IPC（Instructions Per Cycle）
5. 主频

优化性能的方法

在指令系统确定后，系统架构设计者的主要目标就是降低CPI或者提高IPC。

\[CPUTime = Cycle Time \times \sum_{j=1}^{n} CPI_j \times I_j = CycleTime \times CPI \times Instruction Count\]

Amdahl定律(可自己推导)：

\[ExTime_{new} = ExTime_{old} \times [(1 - Fraction_{enhanced}) + \frac{Fraction_{enhanced}}{Speedup_{enhanced}}]\] \[Speedup_{overall} = \frac{ExTime_{old}}{ExTime_{new}} = \frac{1}{(1 - Fraction_{enhanced}) + \frac{Fraction_{enhanced}}{Speedup_{enhanced}}}\]

成本评价

考点：计算芯片成本，记住以下公式，可参考课后例题：

\[芯片成本 = (晶片成本 + 测试成本 + 封装成本) / 最终成片率\] \[晶片成本 = 晶圆成本 / (每片晶圆的晶片数 \times 晶片成本率)\] \[晶片成品率 = (1 + b \times 晶片面积 / a) ^ {-a}\]

a是衡量工艺复杂度的参数, b是单位面积的缺陷数, a可为4, b可为0.4~0.8个/cm^2, 题目会给。

\[每个晶圆的晶片数 = (晶圆面积/晶片面积) - (晶圆的周长 / (2 \times 晶片面积)^{1/2})\]

功耗计算

考点：计算功耗，要记住以下公式，可参考课后题：

\[P_{total} = P_{switch} + P_{short} + P_{leakage}\]

意思是总功耗等于动态切换时的功耗加上短路功耗加上漏电功耗

\[P_{switch} = C_{out}V_{dd}^2f_{clk}/2\]