计算机系统4-> 计组与体系结构1 | 基础概念与系统评估

在大二上学期学习数字逻辑的过程中，我对计算机如何运作产生了兴趣，因此开了这个系列来记录自己在这方面的学习过程，此前三篇分别是：

  1. 计算机系统->Hello World的一生 | 程序如何运行，从大致过程上介绍了一个简单的Hello World程序是如何被计算机实现的

  2. 计算机系统2->从芯片说起 | 芯片怎样诞生是我在学习另一本书以及B站学习的时候的知识总结，主要讲解数字逻辑层和半导体物理层之间的联系。

  3. 计算机系统3-> 现代计算机基石 | 图灵机理论，同样十一篇读书笔记，附上了自己的思考。这是计算机能够成立的理论基础。

本来嘛，按照这个系列的节奏，下一篇就是冯诺依曼结构或者是CPU的内部结构（事实上CPU的内部结构与原理已经在学了来着），再下一篇可能还会讲讲信息论，但这学期开了一门专业课叫做计算机组成原理与体系结构，正好就是在讲这方面的知识，因此接下来我会结合课本和此前读的书进行系列的更新。并将实践CPU的记录也更新到这个系列中来。

今天这篇主要总结课本第一章的内容，即计算机组成与体系结构的基础概念，比如计算机科学、设计思想、程序、硬件结构、性能评估等。本文可能有很多生词，我尽力给出合理的批注。实际上其中很多东西大学计算机基础可能都讲了，但不幸，我们学院是没有要求这门基础课的（取而代之的是机械制图）。

写的有点多，很多是对知识的复述，后续我会对文章进行精简，系列后面也会注意。

参考资料：

  1. Computer Organization and Design the 5th Edition，即计算机组成与设计硬件软件接口第五版

  2. 课件，由于是英文且只是老师的思路，所以是辅助参考

00 一些前言

00-1 这门课的重要性

作为一个计算机系的学生，从学科素养上讲，如果四年学习下来，不了解DRAM、流水线、多级缓存、I/O接口、虚拟内存这些概念，实在是说不过去，从日常生活上讲，学了计算机还不懂得如何选购一台性能较佳的电脑，也说不过去。

此外，这部分内容对于以后想要从事芯片设计、编译器开发、操作系统设计等底层方向的同学是十分重要的。就算不从事这些方面，只从事软件开发，这部分内容也会让你对于优化程序或项目和bug调试有更深的理解，对于特定的APP可以选用合适的硬件。

举个例子，如果我们要进行一个大型的矩阵乘法运算，我们应用这门课的知识，就可以对其进行较深层次的优化，使其性能提高200倍：

  1. 采用数据级并行DLP（SIMD)，在第三章中学到。性能提高3.8倍；

  2. 采用指令级并行ILP，循环展开开发多指令发射、乱序执行硬件，第四章。性能提高2.3倍；

  3. 内存以及cache的存储器层次优化，第五章。2.5倍；

  4. 线程级并行，在多核上并行循环，第六章。14倍；

在课程学习开始前，还可以先思考几个问题：

  1. 如何评估一个程序的性能？如何改进程序性能？

  2. 什么是软硬件之间的接口？软件如何指导硬件完成工作？

  3. 如何进行内存管理：数据是怎么被放置的，放置在哪里？

  4. 如何进行线程管理：如何写一个多线程的程序？

  5. 从硬件的角度讲，哪些操作实现容易或者快一点？

如果无法理解这些问题，决定优劣与否，就会堕入反复实验的复杂过程，反之，则是一个深入分析的科学过程。

00-2 关于计算机科学

计算机科学的发展简史我就略过了，没啥意思。回头有空单出一篇这个文。

00-2-1 有关 IT | 信息科学

IT（Inforamation Technology）是信息理论和计算理论的结合，两者共同奠基和定义了信息科学，信息理论方面有香农的信息论（采集定理），计算理论即图灵机和冯-诺伊曼结构。我们学习的计算机科学与技术偏向于计算理论，信息理论主要是电子信息方面在学习。

当然，有机会我会了解一些信息方面的知识。

00-2-2 计算机应用分类

  1. 个人电脑

    强调对个人提供良好性能，价格较低，可运行第三方软件。

    一般有4-12个CPU（中央处理单元Central Process Unit），内存在GB级（也有TB级的）

  2. 服务器

    用于运行大型程序的计算机，可以支持多用户的并行使用，一般通过网络访问。

    高端服务器称为超级计算机，一般由海量处理器组成（上百万CPU），内存为TB级，能耗很大但很高效；用于高端科学和工程计算。

    注意这里的Gb和GB并不相同，1Gb(gigabit) == 156MB。

  3. 嵌入式计算机

    即嵌入到其他设备里的计算机，运行预先设置好的一个或一组应用程序，是数量最多的一类计算机，用于如汽车、电视等的微处理器和处理器网络；

    通常程序和硬件集成在一起，一起交付给用户。此类计算机关键在于可靠性、低成本和低功耗。

    许多嵌入式处理器使用处理器核，处理器核就是利用硬件描述语言（比如Verilog）描述的处理器版本，这样设计者就能把处理器和其他硬件集成在一块芯片上。

00-2-3 后PC时代

  1. 个人移动设备（Personal Mobile Device PMD）

    包括手机、平板、智能手表、甚至智能眼镜；电池供电，下载软件app进行功能实现，无键盘鼠标，采用触摸屏以及语音作为输入。

  2. 云计算

    替代传统服务器，依赖于仓储规模计算机的巨型数据中心(Warehouse Scale Computer WSC)，在网络上提供服务的大服务器集群，运营商根据需求出租一部分为PMD提供软件服务。典型例子是Web搜索和社交网络。

    PMD / WSC是硬件工业的革命，通过云计算实现的软件即服务是软件工业的革命。

00-3 通用计算机结构

这个课程主要研究的是通用计算机的基本结构与组成，我们每一章都会学习一部分，下图是一个概要，后面硬件概念的部分还会提到：

当然，讲到通用计算机结构，离不开冯·诺伊曼结构：

  1. 存储器 / 内存Memory：存储信息（数据/程序）

  2. 运算器：计算、处理信息

  3. 输入设备：把信息放入电脑的途径

  4. 输出设备：电脑输出信息的途径

  5. 控制器：确保以上各个部分在正确的时间正确地执行它们的任务

img

00-4 理解程序性能

此前写的本系列的第一篇：《程序是如何运行的》是很浅薄的，正如前面提到的学习这门课的重要性那部分所提到的例子，程序性能的理解是贯穿这个课程的核心问题之一。

程序的性能取决于：

软/硬件组成如何影响性能知识坐标
算法 决定了源码级语句的数量和I/O操作数量 算法与数据结构
编程语言、编译器和体系结构 决定了每条源码级语句对应的计算机指令数量 本书第2、3章
处理器和存储系统 决定了指令的执行速度 第4、5、6章
I/O系统 决定了I/O操作可能的执行速度 第4、5、6章

人类对于性能的要求是没有上限的，新的算法、新的应用、新的概念、对制造工艺进行改进、对计算机体系结构进行改进等

01 计算机系统结构中的8个伟大思想

  1. 面向摩尔定律的设计

    即单芯片上的集成度每18~24月翻一番，计算机设计者必须预测设计完成时的工艺水平，而不是设计开始时的。

    同时DRAM（动态随机存取存储器）是两年翻一番，处理器是1.5年翻一番（这个在变慢，磁盘disk是一年翻一番

  2. 抽象简化设计(abstraction)

    用抽象表示不同的设计层次，在高层次中忽略低层次的细节。抽象层次中的关键接口是指令级体系结构，这点在后面会继续提到，这时硬件和底层软件的接口。

  3. 加速大概率事件(common case fast)

    大概率事件通常比较简单，所以易于提高性能。

  4. 通过并行提高性能(parallel performance)

    前面也提到了，会学到很多并行操作来提高性能。

  5. 通过流水线提高性能(pipelining)

    流水线是一个特别的并行性场景，可以理解为一个水管，每一个模块是其中的一个管子。

  6. 通过预测提高性能(prediction)

    “求人准许不如求人原谅”，即假定从错误预测恢复的代价不高并且预测的准确率相对比较高，那么就可以通过预测的方式提前开始某些操作，这肯定比得到相关指令再启动要快。

  7. 存储器层次(hierarchy of memory)

    存储器的速度影响性能，存储器的容量限制了解题的规模，而当今计算机系统中存储器的cost占了主要部分。所以存储器的设计追求速度更快、容量更大、价格更便宜。设计者们的办法之一就是设计存储器层次：

    速度最快、容量最小（同时价格也最昂贵）的存储器位于顶层，用于及时取放数据，而速度最慢、容量最大的存储其位于最底层。就像一个三角塔一样。

    而这样设计，从外部以程序员的视角看来，就实现了存储器高速度、大容量且便宜的整体特征。

  8. 通过冗余提高可靠性

    计算机的可靠性可以通过使用冗余部件的方式提高。就像远行的汽车带着的备胎，当轮胎出问题时，更换后可以继续工作。

02 程序概念入门

这部分是对该系列第一篇计算机系统->Hello World的一生 | 程序如何运行的复习与深化。

02-1 系统软件

计算机硬件只能执行很简单的低级指令，我们编写的应用程序到这些低级指令之间，需要通过多个软件层次（系统软件）将高层次的语句操作逐层解释/翻译为简单的计算机指令。这可以算作01部分抽象思想的一个体现。

如上图所示，外层是应用软件，在其与中心——硬件之间有一层系统软件。系统软件是提供常用服务的软件，包括操作系统、编译程序、加载程序、汇编程序等。

其中，操作系统和编译程序对于现代计算机是必要的。

  • 操作系统是为了让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。是用户程序与硬件之间的接口，为用户提供各种基础服务和监控功能，最重要的功能如下：

    1. 处理基本的输入输出操作；

    2. 分配外存和内存；

    3. 为多个应用程序提供共享计算机资源的服务；

    常见的操作系统有Windows，Linux，iOS等。

    在操作系统中，封装了I/O操作、存储器分配和其他低级的系统功能细节，使得程序员不需要再过多注意这些琐碎的细节。

  • 编译程序将高级程序语言如C++、Java等写成的程序翻译成硬件能够执行的指令。

02-2 从高级语言到硬件语言

要想控制底层的电子硬件，就要描述电子硬件的状态：通、断。计算机中用1、0来描述。因此计算机语言是二进制数，每个字符就是二进制数字中的一个二进制位 / 一位(bit)，

我们对计算机的命令就是指令，即能被计算机识别、理解并执行的命令位串，比如1000110010100000，表示两个数相加。可见这串数字既描述了指令，又描述了数据。这是计算机的基础。

最开始，程序员就是通过二进制将指令传达给计算机的，但这很难，后来发明了助记符，手工比对二进制，但依然繁琐；随后设计人员就开发了被称为汇编程序的软件，可以将助记符自动翻译为对应的二进制。比如写下：

add A,B

汇编程序就会将该符号翻译为表示两数相加的机器指令

1000110010100000

上面的助记符所代表的符号语言今天仍然在使用，即汇编语言，而机器能够理解的二进制语言被称为机器语言。

虽然这已经是一个巨大的进步，但依然与人工演算的符号相差很多，并且需要程序员完全像计算机一样思考。

于是更进一步的抽象诞生了高级编程语言及其编译语言，大大提高了软件生产率。下图是这些程序与编程语言的关系图：

可以看到，C语言经过编译编程汇编语言程序，再经过汇编变为机器语言。

留意一下，这里的转变都是软件层面的。

编译程序的出现，使得程序员可以写

A+B

来表示

add A,B

编译程序会自动实现前者向后者的转换。这样做好处显然多多，解放了程序员的思考难度、提高了生产效率、提高了程序相对于计算机的独立性。

02-3 关于（指令集）体系结构

讲到这里，我们可能还是不明白课程名字中的体系结构是什么意思，与组成原理又有什么不同呢，我此前一直认为组原是指概念，而体系结构是组成计算机的硬件，实际上：

计算机体系结构（architecture） = 指令集（ISA）+ 计算机组成（microarchitecture）

为什么放在这里讲而不是前言，是因为指令级体系结构使用了抽象的设计思想，是最重要的抽象之一，也是程序从高级到底层中的关键一环。

计算机体系结构的存在可以让设计者讨论更宏观的设计方法，而不需要考虑硬件电路的状态；这一抽象层分开了我们解决问题的软件思路和硬件电路的具体实现，就比如我们写出一个时钟程序，实现计时、显示时间、设置闹钟等功能，就不必考虑底层的LED、时钟控制电路等。体系结构在计算机系统的层次如下：

自下而上，依次为电子管 -> 电路 -> 数字逻辑 / 硬件逻辑 -> 微体系结构 -> 指令级体系结构 -> 运行时系统（操作系统级）-> 程序语言 -> 算法 -> 问题。同时这也展示了计算机系统中的抽象层次；

指令级体系结构就在ISA那一层，负责软件向硬件的过渡。

微体系结构也称微处理器体系结构，是在计算机工程中，将一种给定的 指令集架构 在 处理器 中执行的方法。

运行时系统的作用与操作系统相似，主要是进行内存管理和任务调度等。

提供给程序员的基本指令及和操作系统接口合称为应用二进制接口（Application Binary Interface ABI)

回忆前文，程序从软件再向下到硬件描述，就要通过体系结构（指令集和微体系结构）的对机器语言的翻译规范、以及特定处理器实现向硬件指令和数据的转化：

 

 

 

有没有过这么一个问题，即组成原理和体系结构有什么区别？以下参考了这篇博客以及老师的课件：

举个例子：

  1. 一台机器是否具备乘法指令的功能，这是计算机体系结构的问题；

  2. 如何实现这个乘法指令的，使用专门的乘法电路还是采用连续相加的加法电路等，这是计算机组成的问题

日常生活的应用

许多计算机厂商向用户提供一系列体系结构相同（实现逻辑）的计算机，而它们的组成（具体排布、实现方式）却有很大的差异，因此只知道结构不知道组成是选不好适合的电脑的

专业一点的说

计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机属性。所看到的计算机属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等（抽象，概念性）

比如IBM PC和 RS6000 是具有不同的指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理，所以这两种机器的结构各不相同。

从体系结构出发解决问题更像是一个建筑设计师；

计算机组成就是如何具体实现这些计算机结构所体现的属性，比如硬件细节，指令集体现了机器的属性，这是结构问题。但指令的实现，比如如何取指令、分析指令、取操作数等等，这些都是计算机组成问题；

从组成原理出发解决问题更像是一个建筑（土木）工程师；

03 ⭐硬件概念入门 | 冯·诺依曼体系结构

每台计算机的硬件都要完成相同的几个基本功能：

  1. 输入数据

  2. 输出数据

  3. 处理数据

  4. 存储数据

即计算机是由完成输入、输出、处理、存储数据任务的部件组成的，具体讲有五个部件：输入、输出、存储器、数据通路（运算器）、控制器。这也是冯·诺依曼结构的体现。

处理器从逻辑上包括了数据通路和控制器。前者负责算数运算，后者负责指导数据通路、存储器和I/O设备按照程序指令正确执行。

处理器是计算机中最活跃的部分，有时人们也把处理器称为中央处理单元，即CPU；

img

03-1 一些实物结构

不同的计算机设备的内部模块安排不尽相同，我们可以从其拆卸外壳后的结构排布大致看出一些设计思想与理念。这部分只能是列举一些，进一步感兴趣可以看一些拆解记录和拆解视频。

03-1-1 iPad Air 2逻辑主板

  • 红色圈中是一个苹果APL1012 A8X 64位处理器，

  • 橘色尔必达/美光q科技的F8164A3MD的2Gb内存，

  • 黄色是SK海力士H2JTDG8UD1BMR的 128Gb（16GB）NAND闪存

  • 绿色：NXP 65V10 NFC模组（同iPhone 6/iPhone 6 Plus所用相同）

  • 蓝色是苹果（Cirrus Logic） 338S1213音频解码器，

  • 紫色是ARM Cortex-M3微控制器（苹果M8协处理器）；

  • 黑色是Murata 339S02541 Wi-Fi模组。

03-1-2 奔腾四处理器

一般给出下面两个图，我们就能了解一个硬件内部的结构和组成。

可以看到组成原理图中左上角的是多级内存模块，右上角是数字和逻辑处理单元、左下角是前台（解码器、缓存器trace cache、分支预测等）、右下角是乱序执行单元。每个框图里分别是内部的一些逻辑结构。

这个是系统结构图，更加接近硬件的真实情况。

03-2 输入设备和输出设备

这部分会在第五第六章讲解，现在介绍一些基本硬件。

03-2-1 显示器

图形显示器无疑是最有人气的I/O设备，PMD大多使用轻巧、低功耗的液晶显示(Liquid Crystal Display LCD)，LCD不是光源，而是利用液晶的光学原理控制光的传输。

大多数LCD显示器采用动态矩阵显示(active matrix display)，每一个像素都由一个晶体管控制电流，这样使图像更清晰。而彩色动态矩阵LCD中，还有一个红-绿-蓝屏决定三种颜色分量的强度，这时每个像素点需要3个晶体管控制。

  1. 像素：图像元素的最小单元；

  2. 图像由像素矩阵组成，可以表示为二进制位的矩阵（位图bit map），矩阵的大小反映了屏幕的尺寸以及分辨率，彩色显示器用8位标识每个三原色，每个像素就是24位。

    这一点我此前在拓展数字逻辑课程知识的时候，用FPGA+VGA显示矩阵色彩的时候接触过，但没有及时总结，预计数字逻辑实践系列后续会总结这个过程。

  3. 动态矩阵显示：液晶显示技术；

03-2-2 触摸屏

PC使用LCD显示屏，而后PC的平板和智能手机使用触摸屏进一步替代了键盘和鼠标，用户体验得到了很大的提升。

03-3 处理器

这部分会在第四章讲解。

处理器从逻辑上包括两个部分：数据通路和控制器。分别相当于处理器 的肌肉和大脑，

上图是一个苹果A5的处理器集成电路结构图。芯片尺寸位12.1mm×10.1mm，采用45nm工艺，中间靠左侧的是两个ARM处理器，左上角是有4个数据通路的图形处理器单元(GPU Graphic Processor Unit)；左下角以及底部是与主存的接口。

处理器目前的发展趋势是向多核处理器转变，这就是并行性革命的发展。多核处理器的意思就是再同一块微处理器中加入多个处理器，增加处理事务的速度（单位时间内完成的任务数，吞吐率）。

我们所说的四核微处理器，其实就是有四个处理器的微处理器、或是四个core的芯片。

后续有机会，我会进一步了解并行编程。

03-4 存储器

03-1-1的iPad Air2的主板介绍中提到了两个存储器芯片，每块容量1Gb也就是156MB。

内存是程序运行时的存储空间，同时也保存程序运行时使用的数据。内存由多片DRAM芯片组成（DRAM：动态随机访问存储器 dynamic random access memory），用来承载程序的指令和数据。

DRAM的特点是无论数据存储在什么位置，访问的时间基本一致。这一点与串行访问内存的磁带不同。

提到存储器，其实03-3中的处理器内部也使用一种存储器，即缓存（cache memory），它的特点是小而快，作为连接高速处理器和较低速内存的一个缓冲区。这一点前面八大思想中也有提及。

cache采用的是另一种存储技术：静态随机访问存储器SRAM，速度更快，价格高一点。

缓存和内存（也是主存）是存储器层次中的两层。接下来一节会完整介绍存储器的全部层次：

03-5 数据存储安全

前面提到的内存是易失性存储器（比如DVD，关掉电源，记录内容不会丢失，DVD采用的是非易失性存储器），我们需要解决计算机数据在关掉电源之后的存储。

对于易失性存储器和非易失性存储器，前者也称主存（DRAM技术），后者也称二级存储器，这是继前文的缓存、内存下更低的一层，用来保存两次运行之间的程序和数据。我们平时叫的磁盘（magnetic disk），就是二级存储器的一种。

目前PMD中闪存（flash memory）使用的更多：

  • 闪存比DRAM更慢、价格便宜很多，但要比磁盘高一点；

  • 但是闪存在体积、电容、可靠性和能耗方面都比磁盘优秀；

  • 但是，闪存在写入100000~1000000次后会老化或损坏；

  • 所以相应的，使用闪存的文件系统需要记录写入操作的数目，并考虑避免存储器损坏的办法。

03-6 计算机间通信

计算机除了上面提到的功能，还需要与其他计算机通信，即计算机网络功能。

联网的计算机有以下优点：

  1. 通信：计算机之间高速交换信息；

  2. 资源共享：有些I/O设备可以由网络上的计算机共享，而不必每台计算机都有；

  3. 远距离访问：在很远的地方通过别的设备访问计算机。

网络类型：

  • 以太网

    • 最常见的网络类型，传输距离长（1000千米）、传输速率高（40Gbps），可以将同一层楼的计算机连接起来，这就是局域网的一个例子。

    • 局域网是在一个小的局部地区使用的传输数据的网络。

    • 局域网通过交换机连接，可以提供路由和安全服务。

  • 广域网

    • 支持万维网，以光纤为基础像通信公司租用。

    • 将区域扩展到几百千米范围的网络。

04 性能

好了，下面我们终于要来探讨一些与买电脑有关一点的事情了。这也是本文最后的实质性内容。

04-1 性能的定义与衡量

在评价性能之前，我们需要给出性能的评价标准，是否计算机速度快就是好呢？恐怕也不尽然。对于性能，我们有很多描述方法，用于在不同情境下的性能衡量。下面这些是有关性能的一些名词。

  • 响应时间

    • 计算机完成某任务所需要的全部时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O活动、操作系统开销以及CPU执行时间；

    • 对于普通用户以及PMD而言，响应时间可能最重要，这会影响工作性能或者游戏体验；

  • 吞吐率

    • 也叫带宽，表示单位时间内完成的任务数；

    • 而对于服务器，会更注重吞吐率。

  • 二者关系

    • 降低响应时间，基本上就会增加带宽；

    • 采用多处理器分别处理独立任务，只能增加带宽。

  • 性能

    • 性能 = 1 / 响应时间

    • 此后在前几篇子系列文中，会着重讨论响应时间代表的性能，但本文会讨论另一个概念：

  • CPU时间

    • 但问题很明显，同一个处理器上并不是只运行一个任务，我们要把运行自己任务的时间和一般的响应时间区别开来；

    • CPU（执行）时间就只表示在CPU上花费的时间，不包括I/O操作等；

    • 当然，我们感受到的还是响应时间，而不是CPU时间；

    • CPU时间进一步划分：

      • ·CPU用于用户程序的时间：用户CPU时间；

      • 操作系统为用户服务花费的CPU时间：系统CPU时间；

    • 相应地：

      • CPU性能描述用户CPU时间；

      • 系统性能描述空载系统的响应时间；

    • 计算机性能既可以指响应时间度量，也适用于CPU时间的度量；

    • 下面我们讨论的重点就是CPU性能，响应时间的度量会放在后面讲；

04-2 CPU的性能

CPU性能是用户和设计者都看重的性能。

  • 公式一：一个程序的CPU执行时间 = 一个程序的CPU时钟周期数 × 时钟周期时间

  • 公式二：一个程序的CPU执行时间 = 一个程序的CPU时钟周期数 / 时钟频率

由以上式子可知，减少等号右侧物理量，就可以改进性能，但这种改进并不容易。有时减少时钟周期数还会引起时钟周期时间的增加。

虽然目前电脑会有不同的时钟频率，但我们还是使用一个平均值来做。

04-3 指令的性能

继续对上面的公式进行考量，我们可以对时钟周期数进行细分，执行任务的是程序，而运行程序的基本单元是指令，所以可以有：

  • 公式三：CPU时钟周期数 = 程序指令数 × CPI

  • CPI表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值；同时IPC是它的倒数(instruction per clock cycle)

  • 指令数：某程序所需要的总指令数；

  • 公式四：CPI = CPU时钟周期数 / 程序指令总数

04-4 ⭐性能公式

综上所述（04-2以及04-3），CPU性能公式为：

  • 公式五：CPU时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期时间

  • 公式六：CPU时间 = 指令数 × CPI / 时钟频率

    • 性能的评估取决于时间，指令多少和CPI都不能单独决定性能，公式右侧的子集都不能决定性能；

    • 下面是对于公式五的进一步分析，再具体到测量单位指标：

    • 性能的分量测量单位
      程序的CPU时间 程序执行的执行时间，s
      指令数目 程序执行的指令数
      CPI 每条指令平均执行的时钟周期数
      时钟周期时间 每个时钟周期的长度，s

  • 公式七：CPU执行时间 = 时间 / 程序数 = 指令数 / 程序 数× 时钟周期数 / 指令数 × 时间 / 时钟周期

04-5 程序性能的评估

上面00-4理解程序性能中，介绍过程序性能的影响因素，现在拿上面公式中的因子再套用一下：

硬件或软件因素影响影响方式
算法 指令数，可能会影响CPI 算法决定了源程序指令的数目，进而决定了CPU执行指令的数目。同时算法也可能影响CPI，比如使用过多除法，CPI会变大
编程语言 指令数，CPI 编程语言必然与指令数挂钩，因为要翻译为指令；影响CPI的方式比如Java支持数据抽象而进行的间接调用会使得CPI指令变大
编译程序 指令数，CPI 决定源程序到指令的翻译过程，所以编译程序的效率会影响指令和CPI两者
指令集体系结构 指令数，CPI，时钟频率 虽然具体过程还不知道，但指令集体系结构会影响这三者。⭐

04-6 指令集的性能

衡量指令集的性能的方式有很多：

  • 设计指标：

    • 能否被实现；

    • 多长时间；

    • 代价如何；

  • 静态指标：

    • 在该指令集下程序的内存占用；

  • 动态指标：

    • 对于一个程序需要执行多少指令？

    • 处理器需要多少字节的空间来执行程序？

    • 每个指令需要几个时钟周期？

  • 最佳的指标是执行时间。

04-7 SPEC基准 | Amdahl's law | MIPS

04-7-1 SPEC基准

虽然执行时间对于性能的衡量已经很好了，但人们还是希望建立一个专门用于测量性能的尺度。

前面提到过，加速大概率事件是一种重要思想，但哪些事件是大概率事件呢？这也需要一个对基准测试程序集合进行预测。

SPEC(system performance evaluation cooperative)是由许多计算机销售商共同支持的组织，它建立了主要面向处理器性能的基准程序集：

  1. 是一种对于固定程序集合执行时间的衡量手段，会基于集合里程序的运行情况给出一个评级；

    评级是程序运行时间经标准化处理后的几何平均数，即乘积后开平方；

    我们知道算术平均，每个数一视同仁；几何平均指明了参数的集中趋势，中位数贡献更大；调和平均（调和不等式），倾向于序列中较小的数值。

  2. 这个评级能够反映特定CPU、内存系统、I/O系统、操作系统、编译器的性能；

  3. 支持对不同的计算机系统进行简单的比较；

    当然还有另外一些基准程序集，如PARSEC、SPLASH等

  4. 此外SPEC还建立了对于功耗的基准测试程序，功能和上面相似，计算公式不同：

    评级 = Σ工作负载在每10%增量处的性能 / Σ对应的功耗和；

    如果是顺序看到这里，功耗在05部分；

04-7-2 阿姆达尔定律

这一定律是加速大概率事件思想的量化总结。当我们对系统的某个部分加速时，其对系统的整体性能影响取决于该部分所占比例和加速的程度。

  • 公式：改进后的执行时间 = 改进部分的原执行时间 / 改进程度+ 不受影响的执行时间；⭐

  • 举个例子来说吧，100s的原总时长中，我们改善其中的50s，运行速度改善到原来的5倍，则现时长 = 50 / 5 + 50 = 60；

  • 从例子也知道，这种优化存在一种极限，或是说，我们每次做相同程度的优化，收益在递减（再对同一部分进行一次5倍的优化，总时长变化在减小）；

我们可以使用这个定律来进行一些性能提升的预测。

04-7-3 MIPS

这里的MIPS不是指令集的名字，这是一种新的性能衡量方法，跟前面所有以时间度量的方法不同。

MIPS(million instruction per second，每秒百万条指令)：

  • 公式：MIPS = 指令数 / （执行时间 × 106)

  • 表示指令执行的速率，规定性能与时间成反比，那么高MIPS值的计算机就越快，这符合直觉。

  • 但是这也有问题，很明显，指令之间并不相同。

    • 不同指令集的计算机不能比较。

    • 就算在同一计算机上，对于不同的程序也会有不同的MIPS值。

    • 有些指令的执行速度快于另一些，这也可能导致MIPS值大小与真正性能好坏的差距。

05 能耗 | 功耗

05-1 计算

几个公式：

  1. 能耗由两部分组成：动态能耗和静态能耗；

    静态能耗是由泄漏电流造成的，顾名思义它在晶体管不工作时也会产生。

  2. 动态能耗 = k × 负载电容 × 电压²

    动态能耗是晶体管状态翻转过程产生的能耗，0-1-0或是1-0-1

  3. 一个晶体管动态能耗 = 0.5 × k × 负载电容 × 电压²

  4. 一个晶体管动态功耗 = 0.5 × 负载电容 × 电压² × 开关频率

    开关频率由时钟频率决定

    负载电容是导线和晶体管的总电容

  5. 相对功耗 = P新 / P旧

由上式我们可以理解，时钟频率增长1000倍，功耗只增长30倍。，是因为每次工艺更新时钟频率上升时，设计者都会考虑使电压都会降低。

面向性能的设计和面向能量效率的设计有些目标是重合的。举个例子：

1GHz的处理器原本100s的运行总时长，70W用于动态能耗，30W静态能耗，现在升为1.2GHz，请问能耗怎么变化？

答：降低。

现能量 = (70 × 1.2 + 30) × 100 / 1.2 = 9500J；

原能量 = 100W × 100s = 10000J.

目前功耗达到了一个瓶颈。

05-2 两者的区别

  • 功耗(Power)，功率的损耗，在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为 W；

  • 能耗(Energy)，能源转换实物量的损耗，单位是焦耳/秒。在后 PC 时代，能源是真正的资源更需要关注。

  • 例如 WSC，关注的不仅仅是耗电功率（功耗），而是由于高温带来的昂贵冷却费用。因此在评价功耗时，使用能耗比功耗更加合理。

06 简单总结 | Review

在文章最后，我希望能够总结一下前面大致说了点什么，留下一些宏观的印象，以便于后续的进行。

  1. 计算机组成与体系结构的一些基础概念和名词，弥补一点大学计算机基础没有学习的缺漏，增加一点专业素养；

  2. 重讲了一下程序的概念，不过较于之前那一篇，这次更加注重转换过程，而不是编译链；

  3. 计算机重要的组成硬件与冯·诺伊曼结构；

  4. 指令级体系结构等抽象思想；

  5. 性能的评估方式，我们可以以此照着店家说明书来比对电脑的性能；

  6. 能耗和功耗，这是性能之外的考虑。

posted @ 2022-03-07 13:25  climerecho  阅读(964)  评论(0)  编辑  收藏  举报