第一章：计算机系统基础知识#

计算机系统的实质

• 确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能
• 指令集结构：用硬件实现的指令集，软硬件之间的主要界面；

计算机系统设计的4个定量原理：如何优化并提高计算机性能

• 以经常性事件为重点
• Amdahl定律（理解原理并能进行简单计算）
• CPU性能公式（三个参数：时钟周期时间、CPI、IC）：理解不同方案性能的提高程度；
• 程序的局部性原理

计算机系统的实质#

确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

指令集结构：用硬件实现的指令集，软硬件之间的主要界面

计算机系统的设计的4个定量原理#

以经常性事件为重点：对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改进

• 优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或者分配更多的电能等。
• 加快经常事件，整体事件时间减少很多

Amdahl定律#

系统性能加速比（定量指标）

• 加速比依赖于两个因素

  • 可改进比例（Fe）：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。它总是小于等于1。

  例如：一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么这个比例就是20/60。

  部件加速比（Se）（引入该参数） ：可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。一般情况下部件加速比是大于1的。

例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒，而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。

• 改进前程序的总执行时间：T0：未改进比例 1-Fe + 改进的比例 Fe
• 改进后程序的总执行时间：Tn：未改进比例 1-Fe + 改进的比例 Fe / Se

即：Tn=T0( 1-Fe+ Fe / Se )

• 系统加速比：Sn 为改进前与改进后总执行时间之比 Sn=T0 / Tn=1 / (1-Fe+ Fe / Se )

Amdahl定律：一种性能改进的递减规则，如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。

• 重要推论：如果只针对整个任务的一部分进行改进和优化，那么所获得的加速比不超过：1/（1－Fe）

例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的25倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的4倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。

CPU性能公式#

执行一个程序所需的CPU时间

CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间

• 其中时钟周期时间是系统时钟频率的倒数

每条指令执行的平均时钟周期数CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC

• IC：所执行的指令条数

程序执行的CPU时间可以写成

CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间

• 时钟周期时间：取决于硬件实现技术和计算机组成
• CPI：取决于计算机组成和指令系统的结构
• IC：取决于指令系统的结构和编译技术

假设：计算机系统有n种指令， C P I i CPI_iCPIi表示第i种指令的处理时间， I C i IC_iICi表示在程序中第i种指令出现的次数

$CPU时钟周期数 =\sum_{i=1}^n (CPI_i \times IC_i)$

$CPI= \frac{时钟周期数}{IC}=\frac{\sum_{i=1}^n (CPI_i \times IC_i)}{IC}=\sum_{i=1}^n (CPI_i \times \frac{IC_i}{IC})$

• (ICi / IC)反映了第i种指令在程序中所占的比例。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对地簇聚（程序执行时间的90%都是在执行程序中10%的代码）。

例1.3 假设FP(浮点数操作)指令的比例为25%，其中，FPSQR(浮点数平方根操作)占全部指令的比例为2%，FP操作的CPI为4, FPSQR操作的CPI为20 ，其他指令的平均CPI为1.33。现有两种改进方案，第一种是把FPSQR操作的CPI减至2，第二种是把所有的FP操作的CPI减至2，试比较两种方案对系统性能的提高程度。

没有改进之前，每条指令的平均时钟周期CPI为：

$CPI=\sum_{i=1}^n (CPI_i \times \frac{IC_i}{IC})=(4 \times 25\%) + (1.33 \times 75\% )=2$

(1)采用第一种方案: FPSQR操作的CPI由 $CPI_{FPSQR} = 20$ 减至 $CPI'_{FPSQR} = 2$，

则整个系统的指令平均时钟周期数为：$CPI_1 = CPI - (CPI_{FPSQR} - CPI'_{FPSQR}) \times 2\% = 2 - (20 - 2) \times 2\% \approx 1.64$

（2）采用第二种方案: 所有FP操作的CPI由 $CPI_{FP} = 4$ 减至 $CPI'_{FP} = 2$，则整个系统的指令平均时钟周期数为(FPSQR操作不改变)：

$CPI_2 = CPI - (CPI_{FP} - CPI'_{FP}) \times 25\% = 2 - (4 - 2) \times 25\% = 1.5$

从降低整个系统的指令平均时钟周期数的程度来看，第二种方案优于第一种方案。

程序的局部性原理:#

程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对地簇聚（程序执行时间的90%都是在执行程序中10%的代码）。

• 程序的时间局部性：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。
• 程序的空间局部性：程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息。在空间上相邻或者临近。
• 优化策略：cache引入，提高内存和CPU之间的访问效率
• 局部性实例：例如for循环