鸣谢：@JA101617 静安的计组笔记 && 咸鱼暄的计组笔记.

本笔记对二位的笔记有较多参考，同时也包含对其细节&概念的补充，适合和博主一样的补天选手消化。

这一章以概念和公式计算为主，同时介绍了计算机系统架构和设计理念。

目录#

• 概念和公式
  • Performance && ExecutionTime
    • 影响因素 && 计算公式
      • 1.IC (Instruction Count)
      • 2.CPI (Average cycles per instruction)
      • 3.$T_c$ (Clock Cycle Time)
    • Execution Time
      • 1.Elapsed Time
      • 2.CPU Time
  • CMOS IC technology 功耗计算
  • Pitfall 隐患
    • Amdahl’s Law
    • MPIS
• Eight Great Ideas
• Others

概念和公式#

Performance && ExecutionTime#

影响因素 && 计算公式#

上面涉及的概念解释：

1.IC (Instruction Count)#

指令数量。 即一个程序运行过程中执行的指令总数。 IC通常用于衡量一个程序的复杂性和工作量。

2.CPI (Average cycles per instruction)#

每条指令的平均时钟周期数。

CPI表示：处理器执行一条指令需要多少个时钟周期。 可以评估处理器效率。CPI越小，处理器执行每条指令的速度越快。

CPI受处理器结构（如流水线设计、缓存） 和 指令类型的影响。

$CPI = {CPU\ clock\ cycles \over Instruction\ count} = \sum ( {CPI_i \times Instruction\ count_i \over Instruction\ count})$

3.Clock Cycle Time#

$T_c$指的是 时钟周期时间（Clock Cycle Time）。它表示处理器的每个时钟周期时间。

时钟周期时间和时钟频率(Clock rate) （每秒的时钟周期数）成反比关系：

$T_c = {1\over f}$

或者

$Clock\ cycle\ time = {1\over Clock\ rate}$

PS：把$Clock\ rate$想象成速度。

ISA（指令集架构）对$T_c$的影响： 指令集架构（ISA）通过定义指令的复杂性和执行方式影响$T_c$的长短。

• 复杂指令集（CISC）：指令通常较复杂，可能会增加 ，因为处理器在每个时钟周期中完成更多工作。
• 精简指令集（RISC）：指令较简单，通常可以减少 ，从而提高时钟频率。 ISA 同时影响指令数量（IC）和每条指令的时钟周期数（CPI）。通过设计高效的 ISA，可以减少执行时间并提高整体性能。

Execution Time#

一般认为Execution Time等同Elapsed Time，后者又包含CPU Time.

1.Elapsed Time#

含义：Total response time, determines system performance

包括Processing time（ CPU Time ）, IO时间, OS overhead（操作系统开销）, idle time（空闲时间）等。

2.CPU Time#

含义：CPU上跑的时间。包括用户CPU时间和系统CPU时间。

• 概念：
  • CPU (execution) time（CPU 执行时间）
  • CPU clock cycle（时钟周期数）
  • clock rate（时钟频率） / clock cycle time（时钟周期） 公式：

1. $CPU\ execution\ time = CPU\ clock\ cycles \times Clock\ cycle\ time = {CPU\ clock\ cycles \over Clock\ rate}$
2. $CPU\ clock\ cycles = Instruction\ count \times CPI$
3. 1和2的式子得到：

$CPU\ time = Instruction\ count \times CPI \times Clock\ cycle\ time = {Instruction\ count \times CPI \over Clock\ rate} = {Seconds \over Program}$

CMOS IC technology 功耗计算#

CMOS IC technolog：一种半导体技术

Pitfall 隐患#

Amdahl’s Law#

概念：

Amdahl’s Law（阿姆达尔定律）用于衡量计算机系统的加速效果。

MPIS#

概念： MIPS（Million Instructions Per Second，百万指令每秒）用于衡量计算机处理器速度，表示处理器每秒钟可以执行的指令数量。(注意是”百万“，所以有必要除以$10^6$)

Eight Great Ideas#

Others#