第1章量化设计与分析基础

1.计算机的分类类别

Flynn分类法（基于指令流和数据流数量）

SISD (Single Instruction Single Data)
- 单指令单数据流
- 适用于单处理器系统（Uniprocessors）。
MISD (Multiple Instruction Single Data)
- 多指令单数据流
- 特殊情况，通常不常见，具体实例较少（???）。
SIMD (Single Instruction Multiple Data)
- 单指令多数据流
- 适合并行处理，常用于向量处理器和图形处理。
- 示例：Illiac-IV、CM-2。
MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)
- 多指令多数据流
- 常用于多核处理器和并行计算。
- 示例：SPARCCenter、T3D。

2.计算机系统结构定义和计算机的设计任务：指令集结构概念及要素

计算机系统结构（现代定义）：是在满足功能、性能和价格目标的条件下，设计、选择和互连硬件部件构成计算机。

系统结构覆盖：

指令系统设计

组成（Organization）:计算机设计方面的高层次:CPU内部结构、存储器、I/O系统、多处理器、网络

硬件: 计算机的具体实现技术:详细逻辑设计、封装、冷却系统、板级设计，功耗等

根据课件内容，关于指令集结构概念及要素，整理如下重点内容：

指令集结构（Instruction Set Architecture, ISA）的概念

指令集结构（ISA）是计算机系统中软件与硬件的接口，它定义了计算机能够执行的指令、数据类型、寄存器组织、存储访问等内容。
ISA 的作用是：

为程序员提供一个编程视角：定义可见的机器语言属性。
硬件实现的基础：硬件执行程序操作时需严格遵循 ISA。
软件与硬件的桥梁：指令集使操作系统和应用程序能够在不同硬件实现上运行。

指令集结构的七个要素

指令集结构设计需要考虑以下七个关键要素：

寄存器组织（Register Organization）
- 早期累加器结构：操作数依赖累加器（单寄存器）。
- 现代通用寄存器结构：支持多个寄存器，提升数据访问速度，减少对内存的依赖。
  示例：32位ARM架构中有16个通用寄存器。
存储器访问（Memory Access）
- 定义数据如何存储和读取：
  - 字节访问（Byte-level access）
  - 地址对齐规则（Address Alignment）：数据的存储地址需对齐字边界。
寻址方式（Addressing Modes）
- 定义指令如何指定操作数的位置：
  - 直接寻址：操作数的地址直接在指令中给出。
  - 间接寻址：操作数的地址存储在寄存器或内存中。
  - 偏移寻址：基地址加上一个偏移量确定操作数位置。
  - 立即数寻址：操作数直接作为指令的一部分给出。
操作数类型和大小（Operand Types and Sizes）
- 定义支持的数据类型和数据宽度：
  - 数据类型：8位字符、16位短整型、32位整型、64位浮点数等。
  - 操作数数量：单操作数、双操作数、三操作数等。
操作类型（Operation Types）
- 指令支持的基本操作，主要包括：
  - 数据传输：如 Load（加载）、Store（存储）。
  - 算术/逻辑运算：如加法、减法、AND、OR等。
  - 控制流指令：如跳转、条件分支、子程序调用与返回。
控制流指令（Control Flow Instructions）
- 定义程序如何跳转和执行：
  - 条件跳转：根据条件执行跳转操作。
  - 无条件跳转：直接转移程序的执行位置。
  - 子程序调用/返回：用于函数的调用和返回。
指令编码（Instruction Encoding）
- 定义指令如何编码和存储：
  - 固定长度指令：每条指令的长度相等，便于硬件并行处理。
  - 可变长度指令：根据操作的复杂性，指令长度可以变化，节省存储空间。

总结

指令集结构（ISA）是计算机系统的核心组成部分，它决定了程序与硬件的交互方式。ISA的设计主要围绕寄存器组织、存储访问、寻址方式、操作数类型、操作类型、控制流指令及指令编码等七个要素展开。

在现代计算机设计中，精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）是两种主要的ISA设计风格：

RISC：指令简单、执行快速，适合硬件优化。
CISC：指令复杂、功能强大，适合减少指令数量。

3.实现技术的趋势：技术发展的趋势

摩尔定律：集成在芯片上的晶体管数量每两年翻一番，性能提升的同时成本下降。

性能趋势：带宽改进优于时延

带宽（Bandwidth）：在给定时间内完成的工作总量。
时延（Latency）：一个事件从开始到结束所需的时间。
经验法则：
- 带宽提升的速度要优于时延的改善速度。
改进方向：
- 处理器性能提高，更多关注并行化技术（如多核处理器）和带宽扩展。

4.集成电路功耗的趋势：功耗的概念

5.可靠性：提高可靠性的方法

6.测量、报告和总结计算机性能：计算机主要性能指标

1. 响应时间（Response Time）

定义：

响应时间是指从任务开始到完成所经历的总时间，包括处理时间、等待时间和I/O时间。

特点：

包括：
- CPU执行时间（实际处理时间）。
- 等待时间（I/O等待、调度等开销）。

2. 吞吐量（Throughput）

定义：

吞吐量是系统在单位时间内完成的任务数量。

公式：

$\text{吞吐量} = \frac{\text{总任务数量}}{\text{总执行时间}}$

特点：

适用于衡量系统处理能力，尤其是多任务并发环境。

3. 执行时间（Execution Time）

定义：

执行时间是程序实际运行所需的时间，主要指CPU完成任务的时间。

公式：

$\text{执行时间} = \text{时钟周期数} \times \text{时钟周期时间}$

或者：

$\text{执行时间} = \frac{\text{时钟周期数}}{\text{时钟频率}}$

4. MIPS（百万条指令每秒，Million Instructions Per Second）

定义：

MIPS表示CPU每秒执行的百万条指令数量，是衡量程序运行速度的指标。

公式：

$\text{MIPS} = \frac{\text{指令数量}}{\text{执行时间} \times 10^6}$

特点：

MIPS受指令集（ISA）的影响较大，适用于同一架构间的性能比较。

5. CPU时间（CPU Time）

定义：

CPU时间是指CPU实际用于执行程序的时间，不包括等待时间。

公式：

$\text{CPU时间} = \text{指令数量} \times \text{CPI} \times \text{时钟周期时间}$

或者：

$\text{CPU时间} = \frac{\text{指令数量} \times \text{CPI}}{\text{时钟频率}}$

分类：

用户CPU时间（User CPU Time）：CPU用于执行用户程序的时间。
系统CPU时间（System CPU Time）：CPU用于操作系统内核代码的时间。

6. CPI（每条指令的平均时钟周期数，Cycles Per Instruction）

定义：

CPI表示每条指令平均需要的时钟周期数，是衡量程序执行效率的重要指标。

公式：

$\text{CPI} = \frac{\text{总时钟周期数}}{\text{指令数量}}$

特点：

CPI越低，程序的执行效率越高。
影响CPI的因素包括：
- 指令集设计（RISC vs CISC）。
- 硬件流水线的效率。
- 缓存命中率。

总结对比

指标	定义	公式	特点
响应时间	从任务开始到完成的总时间，包括等待时间等。	-	用户感知性能的重要指标。
吞吐量	单位时间内完成的任务数。	$\text{吞吐量} = \frac{\text{任务数}}{\text{时间}}$	反映系统的整体处理能力。
执行时间	程序完成所需的CPU实际执行时间。	$\text{执行时间} = \text{时钟周期数} \times \text{时钟周期时间}$	衡量程序性能的直接指标。
MIPS	每秒执行的百万条指令数。	$\text{MIPS} = \frac{\text{指令数量}}{\text{时间} \times 10^6}$	受指令集结构影响，适用同一架构。
CPU时间	CPU实际用于执行程序的时间。	$\text{CPU时间} = \text{指令数量} \times \text{CPI} \times \text{时钟周期时间}$	包括用户时间和系统时间。
CPI	每条指令平均消耗的时钟周期数。	$\text{CPI} = \frac{\text{时钟周期数}}{\text{指令数}}$	反映硬件流水线和程序执行效率。