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【计算机本科补全计划】计组第一章--计算机概要与技术

《【计算机本科补全计划】计组第一章--计算机概要与技术》

图片发自简书App

一、计算机分类:

个人计算机PC、服务器Server 、超级计算机、嵌入式计算机(最多)

二、后PC时代:

  • 个人移动设备PMD Personal Mobile Device ,采用电池供电,无线网络,触摸屏
  • 云计算替代传统的服务器,仓储规模计算机的巨型计算中心,可以采用租赁的方式获取

三、计算机系统结构的八个伟大思想

  1. 面向摩尔定律的设计
  2. 使用抽象简化设计
  3. 加速大概率事件
  4. 通过并行提高性能
  5. 通过流水线提高性能
  6. 通过预测提高性能
  7. 存储器层次
  8. 通过冗余提高可靠性

四、一个软件的三个层次: 应用层次==》系统软件==》硬件

其中系统软件包括:操作系统,编译程序(最重要的,必须的),加载程序,汇编程序

六、任何计算机都要完成的基本功能:

  • 输入数据
  • 输出数据
  • 处理数据
  • 存储数据

与之相应的经典部件:

  • 输入
  • 输出
  • 存储器
  • 数据通路/运算器
  • 控制器

最后两个合称 处理器/CPU

七、存储器有:

  • 易失性存储器
    • 内存—DRAM Dynamic Random Access Memory 动态随机访问存储器
    • 处理器内部的缓存—SRAM Static Random Access Memory 静态随机访问存储器 速度更快而且不那么密集,但是造价比DRAM 更贵,

SRAM DRAM处于存储器层次的两层 以上属于易失性存储器,下面是非易失性存储器 前者称为主存,后者称为二级存储器

  • 非易失性存储器
    • 二级存储器的典型代表是:Disk硬盘 DVD也是二级存储器
    • 另外在后PC时代中闪存Flash Memory 在个人引动设备中取代了磁盘,但是由于闪存存在100000~1000000 次后老化的缺点,所以必须时刻记录
      SRAM DRAM处于存储器层次的两层

八、处理器芯片的制造过程(晶体管—集成电路–超大规模集成电路VLSI)

硅锭 Silicon Crystal Ingot ==》 晶圆wafer ==》 切分独立晶圆 = 芯片(矩形) chip
芯片被连接到I/O引脚上 这一过程称为封装,之后交给客户

九、性能的定义

个人计算机对降低响应时间比较感兴趣,但是服务器对提高吞吐率感兴趣

  • 响应时间:计算机完成某个任务所需要的总时间
性能X / 性能Y = 执行时间 Y / 执行时间X =n 也就是说X比Y快n倍,性能优于Y
  • 吞吐率:也叫带宽 bandwidth 单位时间内完成的任务数

十、CPU的性能

CPU(执行)时间 执行某一个任务在CPU上花费的时间 具体分为:

    1. 用户程序的时间 ,简称为用户CPU时间
    1. 操作系统为用户服务如–等待I/O 或者运行其他程序的时间 系统CPU时间

十一、指令的性能

相同的程序所需要执行的指令数是一定的,这时候就要考虑执行每条指令的平均周期数,也就是 CPI 表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值,那么有如下的公式:

CPU时钟周期数=程序的指令数 X 每条指令的平均时钟周期数

十二、经典的CPU性能公式

CPU时间=指令数 X CPI X 时钟周期 = 程序的所有指令所占周期之和 X 周期时间

或者是:

CPU时间=指令数 X CPI / 时钟频率 = 程序的所有指令所占周期之和 / 时钟频率

永远记住:唯一能够被完全可靠测量的计算机性能指标是时间。

硬件或者软件指标 影响的因素
算法 指令数,可能CPI
编程语言 指令数,CPI
编译程序 指令数,CPI
指令集体系结构 指令数,CPI,时钟频率
十三、谬误:改进计算机的某个方面时,总期望总性能的提高与改进大小成正比。
Amdahl定律: 改进执行后的时间=受影响的改进时间/改进量 + 不受影响的执行时间

如果一个程序在一台计算机上一共要100s的运行时间,其中80秒是程序的乘法操作,如果要让该程序的运行速度提升五倍,乘法操作的改进量为n,那么有:
改进后的执行时间(20s)=(80s)/n + (20s) 那么可以看见,n为无穷大。这就是amdahl 是收益递减定律的量化版本。

十四、计算机的新思想改进了产品的性价比:

    1. 在程序中开发并行性,目前的典型方法是借助多处理器
    1. 开发存储器层次结构的局部访问性,目前典型的方法是cache
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