计算机概要和技术

引言

计算机的发展史：参考链接
现代计算机，按照应用来分，有如下的类型：

• 个人计算机
• 服务器
• 超级计算机
• 嵌入式计算机

后PC时代的概念：

• 个人移动设备
• 云计算

哪些因素会影响程序的性能？

• 算法：决定了源码级语句的数量和I/O操作的数量
• 编程语言、编译器和体系结构：决定了每条源码级语句对应的计算机指令数量
• 处理器和存储系统：决定了指令的执行速度
• I/O系统：决定了I/O 操作的执行速度

计算机系统结构中的8个伟大思想

• 面向摩尔定律的设计
• 使用抽象简化设计：如通过指令集体系结构实现底层硬件和软件之间的交互
• 加速大概率事件：如动态分支预测、Cache缓存的设计、TLB的设计
• 通过并行提高性能：如处理机流水线实现了指令间并行
• 通过流水线提高性能
• 通过预测提高性能
• 存储器层次
• 通过冗余提高可靠性

程序概念入门

程序根据层次的不同，可分为：

• 应用软件
• 系统软件（compiler，OS，etc）
• 硬件
  
  程序代码的级别：
• 高级语言
• 汇编语言
• 机器语言

硬件概念入门

硬件要细说有很多，主要包括下面一些设备硬件：

• 用户接口设备：显示器，键鼠
• 存储设备：总体上可分为易失性存储器（内存，Cache）和非易失性存储器（硬盘，闪存，光盘）
• 网络适配器

处理器和存储器制造技术

• 容量和性能不断增加
• 成本不断降低
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性能

注：不能简单以MIPS（Million Instructions Per Second）作为性能的度量指标。因为，并不是执行的指令数越多，就代表性能越高。

要定义性能，首先我们得先定义几个概念：

• 响应时间（执行时间）：计算机完成某任务所需的总时间
• 吞吐率（带宽）：单位时间内完成的任务数

有了上面的定义，我们就可以定义性能：

性能 = 1 / 执行时间 (在某种程度上，这相当于是吞吐率，即单位时间内执行的事务数)

所谓“计算机X比计算机Y快n倍”，指的是：

那么，执行时间是怎么度量的？答案是采用时钟周期（时钟频率）。

从上面这个式子，我们就可以看出，要先提高性能，要么就是减小CPU的时钟周期数，要么就是增大时钟频率。

结合指令而言，我们就还需要引入CPI这个重要概念，所谓CPI，全名是：clock cycle per instruction，表示执行每条指令所需要的时钟周期数的平均值。

我们回到最开始讲的影响程序性能的因素上来：

• 算法：影响程序的指令数，可能影响CPI
• 编程语言：影响程序的指令数和CPI
• 编译程序：影响程序的指令数和CPI
• 指令集体系结构：影响指令数、CPI和时钟频率

功耗墙

基于CMOS集成电路技术，每个晶体管的功耗可以按如下的公式进行计算：

而所谓功耗墙，可以理解为处理器消耗的最大功耗，当处理器功耗超过功耗墙设置时，处理器会自动降频。

从单处理器向多处理器转变

单处理器顶多就是实现程序并发执行，而真正的并行执行，则还需要依赖多处理器架构。现代计算机大多数都是多核的了，并行编程也成为了一项技术。

SPEC CPU 基准测试程序

这个程序是用于比较和测量计算机性能（主要指的是CPU，IO影响因素可以忽略）的程序

Amdahl定律

Amdahl定律阐述了一个事实：即使我们可以通过并行来提升程序的性能，但这种提升是有上限的，这意味着无论我们如何增大处理器数目，加速比是无法高于某个阈值。之所以会有这样的效果，就是因为程序并不是每一个部分都会受益于并行，有些东西是并行也无法加速的。但是这也启示我们，如果一个程序中可以并行执行的部分越大，那么该程序可以通过并行提升的空间就越大，反映了加速大概率事件的伟大设计思想。