Fundamentals of Computer Design¶
Performance¶
影响性能的几个原因：
- Architecture
- Hardware implementation
- Compiler for Architecture
- Operating System
对于不同的需求，我们需要定义不同的衡量性能的标准
- 对于单一的用户而言，我们需要更快地反应时间 Response Time
- Latency ： the time between the start and completion of an event
- 对于大量数据而言，我们需要更大的吞吐量 Throughput
- Total work per unit time
Execution Time¶
我们可以使用执行时间来衡量性能：$ Performance = \frac{1}{Execution Time} $
- Elapsed time：总的消耗时间，包括各个方面
- CPU time: 在给定任务上消耗的时间
- User Cpu Time : 用户使用的 Cpu 时间
- System Cpu Time ： 系统消耗的 Cpu 时间
Quote
The main goal of architecture improvement is to improve the performance of the system.
Quantitative approaches¶
Measuring Data Size 衡量数据量大小
- bit: A sigle binary digit
- nibble: Four bits
- byte: Eight bits
- word: four bytes
- kibibyte: \(2^{10}\) bytes
Formula for CPU performance
\[CPU Execution Time = CPU Clock Cycles \times Clock Peroid\]
\[CPU Execution Time = CPU Clock Cycles \times \frac{1}{Clock Rate}\]
\[CPU Time = InstructionCount \times CPI \times CLock Peroid\]
\[CPU Time =\frac {Instruction Count \times CPI }{Clock Rate}\]
Amdahl's Law
阿姆达尔定律，一个计算机科学界的经验法则。它代表了处理器并行运算之后效率提升的能力。
\[T_{improved} = \frac{T_{affected}}{improvement factor} + T_{unaffected}\]
Instruction Set¶
Instruction Set Design Issues¶
- 操作数在何处保存？
- registers,memory,stack,accumulator
- 需要多少的显式的操作数？ （ISA的分类）
- 0,1,2,...
- 操作数的位置该如何确定？ （如何寻址）
- regitster,immediate,indirect...
- 操作数的类型和大小？ （数据的表示）
- byte,int,float,double,string,vector
- 支持哪些功能？ (指令的类型)
- add,sub,mul,move,compare...
ISA Classes¶
- Stacck Architecture
- Accumulator Architecture
- Gerneral Purpose Regiter Architecture
- Register-Memorty Architecture (任何指令都可以访问内存)
- Load-store Architecture (只有Load和Store可以访问)