1.6 性能 (con’d)

$响应时间=CPU时间+等待时间$

$CPU时间=用户CPU时间+系统CPU时间$

测算CPU性能一般是通过计算用户CPU时间来进行

CPU 性能公式

常用 CPU 时间 来评价 CPU 性能

$\bigstar$ $\text{CPU Time} = 程序包含指令数量 \times \text{CPI} \times 时钟周期$

CPU 时间：包括用户 CPU 时间+系统 CPU 时间

时钟周期：硬件时钟产生的离散时间间隔

时钟频率 / 主频：时钟周期的倒数。主频越大，时钟周期越小。$$时钟周期 = \frac{1}{主频}$$

$\bigstar$ CPI (Clock Cycles Per Instruction)：平均每条指令所需的时钟周期数 $$\text{CPI} = \sum_i \text{CPI}_i \times f_i$$，是所有类型指令按频率的加权平均值。

影响以上三因素：

  • 算法不同：相同任务的指令数不同
  • 编程语言不同：编译器生成的指令模式不同，影响 CPI
  • 编程程序：优化好的话，总指令数就少；生成的指令类型不同，会影响平均 CPI
  • 指令集体系结构 （ISA）：决定任务要用多少指令，还会影响 CPI，还影响电路实现
  • 计算机组成：流水线等 → 降低 CPI。数据通路设计、并行度、寄存器数目 → 决定能否提高主频（缩短时钟周期时间）。
  • 实现技术：半导体工艺能让晶体管更快，缩短时钟周期

计算机设计包括指令集设计与计算机硬件设计。

（关系很复杂，指令数、CPI，时钟周期会相互影响，不是独立的）

MIPS：每秒执行的指令数($10^6$) $$\text{MIPS} = \frac{指令总数}{执行时间 \times 10^6}$$ 单凭MIPS判断性能不可靠，因为没有关注不同指令是否简单/复杂，所需的时钟数不同

MFLOPS：每秒执行的浮点指令数($10^6$)

总执行时间：所有程序所需时间按照频率的加权平均 （SPEC CPU Benchmark）

1.7 功耗

计算机功耗分为动态功耗、静态功耗

$动态功耗 \propto \frac{1}{2}CU^2 \times f$

$C$：负载电容、$U$ 工作电压、$f$ 开关频率

$静态功耗 \propto UI$

$U$ 工作电压、$I$ 泄漏电流

1.8 计算机的发展

摩尔定律：芯片上晶体管数量大约每 18–24 个月翻一番，硬件性能指数级提升。 → 强调硬件快速发展趋势。

安迪–比尔定律（Andy–Bill’s Law） 安迪给的（硬件性能红利），比尔拿走（软件膨胀消耗）。”→ 强调软件往往吃掉硬件的进步。

内存墙定律：CPU 性能提升远快于内存速度提升，最终程序性能受限于内存访问延迟。 → 强调存储瓶颈。

$\bigstar$ Amdahl定律：并行计算的加速比受限于程序中的串行部分：假设有 $P$ 部分可并行加速，有 $N$ 个处理器，那么加速比 $S(N) = \dfrac{1}{(1 - P) + \dfrac{P}{N}}$

  • 即使处理器无限多，加速比最多也只有 $\frac{1}{1-P}​$。
  • 启示：再多处理器也无法突破串行部分的限制，优化串行部分比加处理器更重要

Gustafson定律：任何足够大的任务均可被有效的并行化。很多程序随着应用规模的扩大，程序中不能被并行化部分的执行时间基本保持不变

  • 推论：只要问题规模可扩展，并行所带来的加速比就可扩展

2.1 指令系统概述

机器指令：计算机实现某操作的命令

指令系统(Instruction System)：一台计算机所有指令的集合，是软件和硬件的接口和界面

指令系统的设计原则：完备性、有效性、规整性、兼容性

指令系统计算机 (Instruction Set Computer) 的分类：

  • 复杂指令集计算机 (CISC)：出现早，大而全
    • 特点：系统复杂、指令周期很长、各种指令都能访问存储器、有专用寄存器、使用微程序控制、难以编译优化
    • 存在的问题：研制周期长、难以调试和维护、时钟周期长、性能低
  • 精简指令集计算机 (RISC)：Jock Cocke 提出、小而精
    • 特点：系统简化、寄存器-寄存器方式工作、指令周期短、使用大量通用寄存器、组合逻辑电路控制、采用优化的编译系统
    • 常用 RISC 指令集：ARM, MIPS, RISC-V

2.2 指令格式

指令格式：操作码 +地址码（操作对象+寻址方式）

设计原则 有很多！：

  • 规整性：指令长度（指令的二进制代码位数）
    • 定长指令字 (RISC) ：所有指令长度相同，向最长指令看齐。取指译码简单，浪费内存空间
    • 变长指令字 (CISC)：不同指令长度不同，灵活性更强，取指译码复杂。
  • 有效性：每条指令的操作码只有一个，代表一个指令

操作码设计：操作码一般不等长

  • 编码方式：定长操作码法 (Fixed Length Opcodes)、变长/扩展操作码法 (Expanding Opcodes)
  • 操作码长度和指令长度没有绝对关系
  • 当前 RISC 常用定长指令字、变长操作码

地址码设计：地址码子段可以是 0 到多个，按需求而定