计算机组成与设计RISC-V版导读--Chapter1

Chapter1 Computer Abstractions and Technology

写过论文的人对abstraction一定不会陌生；不错，本章就是一些综述的内容，对于热衷技术的人而言肯定乏味的很，但作为一个行业管理者而言，可谓字字珠玑啊；

1.1 introduction

首先介绍了计算机科学在广阔领域的发展，主要是如下领域：

• automobiles
• cell phones
• Human genome project
• world wide web
• search engines

然后总结传统计算机应用及其特点，主要分为3个领域：

• PCs
• Servers
• Embedded computers

最后欢迎大家来到后PC时代，介绍后PC时代的特点：

• 最大特点就是PMD替换PC
• PMD：Personal Mobile Device

那么读者可以从这本书学习到什么呢？答案如下：

• 高级软件语言（C,JAVA）如何转为硬件能理解的语言，硬件如何执行程序；
• 软硬件接口是什么，软件如何让硬件执行特定功能；
• 什么决定了程序的性能，怎么提高性能；
• 硬件工程师可利用什么技术提高性能；
• 硬件工程师可利用什么技术提高energy efficiency；
• Parallelism的原因及其后续演进；
• 现代计算机架构中个great ideas；

1.2 Eight Great Ideas in Computer Architecture.

过去60年，计算机架构出现了8个great ideas

• Design for Moore's Law
• Use Abstraction to Simplify Design
• Make the Common Case Fast
• Performance via parallelism
• Performance via Pipelining
• Performance via Prediction
• Hierarchy of Memories
• Dependability via Redundancy

1.3 Below Your Program

Application software在system software之上，而system software又在hardware之上；

有两种system software：

1. operating system
2. compiler
   将高级语言编写的程序翻译成机器能执行的指令；

From a High-Level Language to the Language of Hardware
机器所能理解的语言叫做
instruction：通常为binary形式的，如1001010100101110，此指令为两个数相加；

1.4 Under the Covers

以ipad2为例，从LCD到CPU的硬件简介。

1.5 Technologies for Buildig Processors and Memory

简单介绍半导体工艺
the cost of an integrated circuit can be expressed in 3 simple equations:
Cost per die=Cost per water/(Dies per wafer x yield)
Dies per wafer=wafer area /Die area
Yield=1/(1+(Defects per area x Die area/2))^2

1.6 Performance

• Defining Performance
• Measuring Performance
  • time is the measure of computer performance，时间有不同的定义方式：
    • wall clock time 经过时间
    • response time 响应时间
    • elapsed time 运行时间
  • CPU execution time/CPU time
    • user CPU time:单纯执行程序的时间
    • system CPU time：为了执行程序而调用操作系统的时间；
    • 二者很难精确区分；
  • 一般我们喜欢用elapsed time来评价一个程序的性能，其实elapsed time和CPU time还是有区别的
    • we will use the term system performance to refer to elapsed time on an unloaded system and CPU performance to refer to user CPU time;
  • 如一些server对IO很依赖，从而性能需要评价软硬件综合性能，而一些application则可能只关注throughput或者response time，或者两者的组合。所以为提高performance，你必须要知道哪些方面构成了performance matric matters，从而方便找到performance的瓶颈。
• CPU Performance and its Factors
  • 减少应用程序的时钟个数或者提高时钟频率
• Instruction Performance
  • 时钟周期数=指令个数指令平均时钟个数
  • 指令平均时钟个数：clock cycles per instrunction,简称CPI
    • 每个指令执行的时钟个数不同，CPI为所有指令执行的时钟个数的平均数；
    • CPI provides one way of comparing two different implementations of the identical instruction set architecture，since the number of instructions executed for a program will, of course, be the same.
• The Clasic CPU Performance Equation
  • CPU time=Instrunction count CPIClock cycle time(or 1/Clock rate)
  • 注意IPC=1/CPI，IPC: instructions per clock
  • 注意现在很多CPU有变频特点，如Intel i7可以将频率提升10%直到CPU太热在降回来，这种技术被称为turbo技术；

1.7 The Power Wall

首先介绍了8代Intel CPU的频率和功耗走势图；需要注意的是在Pentium4（2001）时，频率达到3.6GHz,功耗达到103M，起后频率与功耗都有降低；

其次介绍单个晶体管的动态功耗(焦耳和瓦特角度）：
Energy1/2Capacitive load Voltages²
Power1/2Capacitive load Voltages² Frequency switched

Frequency switched和时钟频率相关；
with regard to the Figure, how could clock rates grow by a factor of 1000 while power increased by only a factor of 30?(频率有1000倍增长而功耗只有30倍增长)
Energy and thus power can be reduced by lowering the voltage，每代CPU都采用这种技术，即每代电压减少15%（0.0225）

In 20 years, voltages have gone from 5V to 1V, which is why the increase in power is only 30 times.(0.0225x1000=22.530)

现代的问题是，继续降低电压会使晶体管too leaky（服务器芯片40%功耗来源于leakage）

to try to adress the power problem, designers have already attached large devices to increase cooling. and they turn off parts of the chip that are not used in a given clock cycle.
尽管需要高昂的降温设备（300W功耗），这种方案还是应用于PC和server，而PMD则不需要；

Power is a challenge for integrated circuits for 2 reasons:

1. power must be brought in and distributed around the chip;现代芯片可能需要数百个ground和power的引脚
2. power is dissipated as heat and must be removed.(功耗消耗为热量需要更贵的散热设备)

1.8 The Sea Change: The Switch from Uniprocessors to Multiprocessors

为了解决power问题，引入了multiprocessor的概念，这就要求现代程序员必须要考虑重新编写已有的程序以适应multiprocers；

目前看程序员的转型还很少，期待未来的改变；
For parallel programming, the challenges include scheduling,load balancing,time for synchronization and overhead for communication between the parties .

后面介绍各个章节为parallel revolution而引入的内容；

1.9 Real Stuff: Benchmarking the Intel Core i7

每个章节的结束会举个实例来复习本章内容，第一章结束介绍Benchmark程序如何对不同的CPU进行评价；

如今的Benchmark大多出自SPEC：System Performance Evaluation Cooperative
感兴趣可以看看，具体不介绍了；

1.10 Fallacies and Pitfalls

每章的结束也会有谬论与陷阱这一小节；

1.11 Concluding Remarks

总结本章所有内容。

1.12 Historical Perspective and Further Reading

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