計算機組織 - 電腦概述

摩爾定律

每隔18~24個月，積體電路上可容納的電晶體個數便會增加一倍。
 

電腦系統的種類

• 桌上型電腦(Desktop computers)：一般泛用的個人電腦。
• 伺服器型電腦(Server computers)：涉及網路，追求高效能、高容量及高穩定性。
• 嵌入式電腦(Embedded computers)：嵌入於其他系統(如手機、電視)中的電腦，追求耗電與效能之間的平衡。

程式的處理階層：

軟體層面(Software)：
應用程式(Application software)：為了達成特定需求(如遊戲、圖片\影片編輯......等等)，由高階語言編成的軟體。
系統軟體(System software) ：負責管理及協調硬體階層，包括了作業系統及編譯器等等。
硬體層面(Hardware)：
囊括了處理器、記憶體，以及IO控制器等等。

程式語言的階層：

高階語言(High level language)：
貼近人類語言，容易閱讀及編寫，透過編譯器或直譯器轉換為機器碼。
組合語言(Assembly language)：
屬於低階語言，指令多與處理器直接對應，以文字來描述機器的行為，透過組譯器轉換為機械碼。
機器碼(Machine code)：
由0和1構成的處理器的指令集，電腦可以直接識別。

電腦的元件：

不論是嵌入式、伺服器，或是桌上型電腦，都包含了這5個主要部分：

• 輸入與輸出元件
• 記憶元件
• 控制元件
• 資料路徑(Data path)

效能評估

Response Time and Throughput

•  Response Time(反應時間)

又稱為elapsed time，表示要完成一件工作，所需花費的時間。其中包括了CPU time、I/O、OS overhead及閒置時間。

•  Throughput(生產能力)：在一定時間內，所能完成的工作量。

CPU time

即CPU處理給定的工作所花費的時間，可再細分為User CPU time(處理器在處理這分工作所花的時間)與System CPU time(作業系統為了執行這份工作額外的準備時間)
CPU time 可以這麼定義：

CPU Time = CPU Clock Cycles * Clock Cycle Time

= CPU Clock Cycles / Clock Rate

Clock cycle稱為時脈週期，時脈(Clock)就像電腦中的一個計數器，每當時脈走了一格，便是完成了一個時脈周期，而走這一格所花費的時間，即是Clock Cycle Time，因此CPU Time即是總共走了幾個時脈周期乘上每走一個時脈周期所要花費的時間。

因此，若要改善CPU Time，我們能從減少clock cycle，或是增加Clock Rate著手。

CPI

CPI (Cycle per instruction) ，表示每執行一個指令(Instruction)，所要花費的時脈周期

Clock Cycles =  Sigma(CPI_i * Instruction Count_i ),i from 1 to n.

Average CPI  = Clock Cycles/Instruction count

指令的個數由編譯器、ISA(ISA instruction set architecture)、程式與演算法共同決定。

CPU Power

Power = Capacitive load * Voltage² * Frequency

設計要追求高響應(Frequency)而低功耗(Power)，便須下調前兩者的影響，然而在2004年後，降低電壓與冷卻的技術飽和而停滯，在功率挑戰中形同撞上了一面高牆(Power wall)，為了執續強化處理器的效能，技術便轉往多核心發展。


然而純粹增加核心數並不完全相關於效能改善，即是說「在單核心中要執行100s的工作，在五核心的電腦並不會只要執行20s」，實際上，它要花費 36 秒，這個數字是由阿姆達爾定律所推得(80/5 + 20 = 36)，阿姆達爾闡明了：即便無限的增加處理器的個數，仍然存在一個加速上限。