Chapter 1. Computer Abstractions and Technology¶

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该章大部分内容都仅作了解，在后续章节会更深入讲解 (只需注意 CPU 的性能)

Introduction¶

在 Pre-computer 时期，计数手段基本都是 Non-electrical, non-programmable (非电子，不可编程) 的

对计算机发展影响巨大的迭代基本可以概括为如下阶段：

First Generation - 1946 ~ 1956
- 电子管(亦称真空管)，可编程，图灵完全
- 第一台通用计算机 ENIAC in 1946
  - 通用指令集、十进制、可编程、图灵完全
  - 没有程序存储能力
Second Generation - 1956 ~ 1964
- 晶体管，编程语言开始应用
- IBM 1401 in 1959
  - 可变字长、十进制
Third Generation - 1964 ~ 1971
- 集成电路(IC)，操作系统开始应用
Fourth Generation - 1971 ~ now
- 大规模微处理器(Microprocessor)，图形用户界面，个人电脑兴起
- Mac OS with GUI in 1984
- Windows 1.0 in 1985

von Neumann architecture (1945)

指令集主要分为两类：

RISC-V的优势

精简指令集对指令数目和寻址方式都进行了精简，使其执行更容易，指令并行执行程度更好，编译器效率更高。例如，精简指令集的指令编码长度为定长，更方便了取指。

现在绝大部分芯片均采用 RISC 架构，包括 ARM 芯片、智能手机，我们课上需要了解的即 RISC-V 321 指令集

对于一个 iPad ，其主板构造如下：

一个程序的执行到达硬件，需要经过高级编程语言 → 汇编语言 → 机器语言

而指令集可以看作硬件和最底层软件的接口，如图所示：

摩尔定律

每隔 18-24 个月，集成电路上可容纳的元器件的数目便会增加一倍，性能也将提升一倍

目前集成芯片制造面临的主要困难为：

而处理器面临的困境为：

计算机的性能一般由以下两点衡量：

一般地，我们将计算机的 Performance 定义为：

\[ Performance = \frac{1}{Execution\ Time} \]

这里的 Execution Time 可以有两种概念，一是该任务的总运行时间，英文为 Elapsed Time ，包括处理时间、I/O 延迟、操作系统响应时间、idle time 等；另一类是 CPU Time ：

那么 CPU Time 即为：

\[ CPU\ Time =CPU\ Clock\ Cycles \times Clock\ Cycle\ Time=\frac{CPU\ Clock\ Cycles}{Clock\ Rate} \]

又很容易想到 \(Clock\ Cycles=Instruction\ Count\times Cycles\ per\ Instruction\) (CPI)

将上面两条公式整合得到：

\[ CPU\ Time = Instruction\ Count\times CPI\times Clock\ Cycle\ Time= \frac{Instruction\ Count\times CPI} {Clock\ Rate} \]

MIPS: 百万指令数每秒

即 \(\frac{Instruction\ Count}{Execution\ Time \times 10^6}\) ，但是 MIPS 只是描述同一个处理器或同一个指令集对于任务的优化，不是 MIPS 越高性能就越高。

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