Skip to content

Prelude

The construct of CPU

image-20240918100432482

Memory

image-20240918100512278

  • 易失性的访问快，非易失性访问速度慢

Instruction set architecture

image-20240918101134254

  • 软件和硬件的接口：关注指令集

机器语言、汇编语言、高级编程语言

image-20240918101621874

Technologies for Building Processors and Memory

集成电路加工绕不开的一个话题就是硅晶加工，硅晶锭(silicon crystal ingot)会被加工成硅片(silicon wafer)，然后再进行加工，最后成为集成电路。一个硅片会被切成很多小块，其中难免有一些坏的(defects)，而那些好的就被称为 dies，或者说 chips。而这个工艺的产量则由下面这个公式定义：

image-20240918124707583

最后一个式子基于经验观察得到，其中指数实际上与加工步骤数量有关。

Response Time and Throughput

image-20240918110737461

  • Rplacing the processor with a faster version -> Response Time and Throughput
  • Adding more processors -> Throughput

Relative Performance

image-20240918111249709

衡量计算机的性能和表现，无论对于工程师还是消费者都是一个非常必要的需求。其中一个重要的标准就是“运行速度”，具体来说：

  • Response Time / Execution Time 从程序开始到结束的时间
  • Throughput / Bandwidth 单位时间内完成的任务数量

并且我们这样联系 performance 和 execution time： $$ Performance_X=\frac 1 {Execution \; time_X} $$

CPU Time

image-20240918112202813

  • CPU (execution) time（CPU 执行时间）
  • CPU clock cycle（时钟周期数）
  • clock rate（时钟频率） / clock cycle time（时钟周期）

因此，我们可以得到一个关系式： $$ CPU \; (ececution) \; time=CPU \; clock \; cycles \times Clock \; cycle \; time $$ 也就是说，CPU 的运行时间是 CPU 时钟周期数乘上时钟周期

与此同时，我们也可以将 CPU 的时钟周期以及时钟频率进行一个转换 $$ CPU \; (ececution) \; time=\frac {CPU \; clock \; cycles} {Clock \; rate} $$

Instruction Count and CPI

在每一个时钟周期中，我们也可以把 CPU 的执行周期数量看成 CPU 执行指令集的过程，于是，我们有下列公式 $$ CPU\;clock\;cycles=Instruction\;count \times cycles\;per\;instruction $$ 其中，cycles per instruction 又被称为 CPI，这个公式意味着 CPU 的执行周期数量等于总指令数量乘以每一个指令所对应的周期数量

因此，我们又可以将 CPU 的运行时间写作下列方式 $$ CPU\;time=Instruction\;count \times CPI \times Clock\;cycle\;time=\frac {Instruction\;count \times CPI}{Clock\;rate} $$

Amdahl's Law

image-20240925101004062

Eight Great Ideas

image-20240925101142920

Homework

image-20240925102921070

转成pdf上传学在浙大