组织与结构

  • 组织: 对编程人员不可见
    • 操作单元及其相互连接
    • 包括: 控制信号, 存储技术…
      • 例如: 实现乘法是通过硬件单元还是重复加法?
  • 结构: 对编程人员可见
    • 直接影响程序逻辑执行的属性
    • 包括: 指令集, 表示数据类型的位数…
      • 例如: 是否有乘法指令?

ISA

  • Instruction Set Architecture(ISA), 指令集体系结构

  • ISA是一种规约, 它规定了如何使用硬件

  • ISA在通用计算机系统是必不可少的一个抽象层

  • 不同ISA规定的指令集不同

  • 计算机组成必须能够实现ISA规定的功能

  • 同一种ISA可以有不同的计算机组成

计算机性能

  • 计算机的关键参数之一

    • 性能, 成本, 尺寸, 安全性, 可靠性, 能耗…

  • 性能评价标准

    • CPU: 速度
    • 存储器: 速度, 容量
    • I/O: 速度, 容量
    • …

  • 计算机设计的主要目标是: 提高CPU性能

CPU性能

  • 系统时钟

    • 时钟频率(单位: Hz): 计算机在单位时间内执行最基本操作的次数

    • 时钟周期(单位: s): 执行每次最基本操作的时间

      • CPU中用于同步执行最基本操作的单个电子脉冲

      • 周期时间即为两个电子脉冲之间的时间

      • 时钟周期是时钟频率的倒数

        image-20250119214812259

  • 指令执行

    • 处理器由时钟驱动, 时钟具有固定的频率 f , 或等价为固定的时钟周期 t

    • 如果用 CPIi 来表示指定类型 i 所需要的周期数, 用 Ii 表示在某一给定程序中所执行的 i 类指令的条数

    • 则我们可以计算整个 CPI (每条指令所需的周期数) 如下:

      image-20250119214819251

    • 执行一个给定程序的处理时间表示为:

      ​ image-20250119214824619

  • 每秒百万条指令(MIPS):

    image-20250119214832677

  • 每秒百万条浮点操作(MFLOPS):

    ​ image-20250119214839191

  • 基准程序

    • 使用一系列基准程序来测量系统的性能

    • 平均结果:

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