Patterson & Hennessy
计算机概要与技术
计算机应用包括：个人计算机PC，服务器，嵌入式计算机。后PC时代出现了个人移动设备PMD（手机），云计算（在网络上提供服务的大服务器集群，供应商按需出租其中的部分服务器）。
学习计算机组成设计，最根本的目的就是两个字——性能。想让网页加载快一些，游戏延迟低一些，存储大一些……现在的计算机系统想要提高性能主要是往“并行处理”和内存的层次性方向发展。后续章节会分别从数据，指令，存储等方面的优化展开。
计算机系统结构中的8大伟大思想
摩尔定律
芯片上的集成度18个月翻一番。近年来有些不适用了，想要优化
不能只等着存储空间的上升了，ISA可以从“专注于特定领域”入手比如专于机器学习。
抽象
高层次看不到低层次的具体实现，以此简化设计。
加速大概率事件
大概率事件往往也因为简单所以容易发生，因此也易于提高效率，而且提高其效率的收益也大。
通过并行提高性能
本书中会多次提到~
通过流水线提高性能
典型的那个阶梯状流水线模型。不是每个任务cpu都先取指解码执行取指解码执行一遍遍单独执行的，而是可以在解码时取下一个，执行时解码下一个……
通过预测提高性能
提前开始某些预测的操作。
存储器层次
速度快，容量大，价格便宜这些是存储器的互斥属性，但是我们又全都想要。解决办法就是类似那个金字塔模型的存储器层次，用于处理不同的数据。
通过冗余提高可靠性
类似汽车后面的备胎，多余物理部件用于确保意外发生时可以取代并检测错误。
软件 硬件
软件主要是系统软件，应用软件，系统软件作为应用和底层硬件的桥梁，这也是一种抽象。
系统软件中 os 和编译程序是必需的。编译程序主要用于把高级语言翻译为底层机器语言，os 负责处理 io，分配存储空间，管理共享资源。
机器语言，汇编语言，高级语言这些也不再过多介绍了。硬件主要包括冯诺依曼的五大结构。
而最伟大的抽象就是指令集体系架构，也就是硬件和底层软件之间的接口。他封装了一些底层 IO，存储器分配等系统细节，为程序员提供基本指令集或 OS 的接口。这些接口合称为 ABI Application Binary Interface。
存储设备按照数据安全性来讲主要分为易失性 volatile 和非易失性 non-volatile 两种。主存储器是易失的（内存包括主存和主存中取出来的告诉缓存。DRAM 是一种主存），二级存储器（比如硬盘）是非易失的。flash 闪存是一种非易失的内存，存取速度和价格都介于两者之间。
通信
联网计算机的3大特点：
- 通信，数据交流。发个文件啥的。
- 资源共享：比如 IO 设备可以共享，远程打印，显示之类。
- 远距离访问：远程控制，不用必须在计算机前。
按距离划分主要分为广域网（如以太网）和局域网。现在还在不断发展比如诞生了新的无线通信技术（IEEE 802.11 标准）。
处理器和存储器制造技术
芯片是由集成晶体管组成，由硅制造而来。上图介绍了整体流程步骤。
在 RISCV Reader 里有提到类似的原理，如果缩小了芯片体积，晶圆上的瑕疵会影响更少的芯核，晶圆的利用率也会更高，产率数量也多了。而且生产芯片的掩膜很贵，产量高了平均每个芯片掩膜成本就低了。
性能
几个重要度量参数：响应时间（收到任务到完成任务的时间，PC 用户较关注），吞吐率（单位时间完成的任务数量，数据中心通常关注）。
两者是相互影响的，比如响应时间低了吞吐率也低，任务太多排队响应时间也会低，提高吞吐率在这种情况下也会提高响应时间。
本书前几章性能主要取决于响应时间，也就是成反比。比如运行程序需要10s和10s的两台计算机，前者比后者快1.5倍。
CPU执行时间=用户CPU时间（执行程序）+系统CPU时间（操作系统为了执行程序花费的时间）
CPU时钟周期=计算机一个时钟周期的时间，这是计算机底层的一种度量方式。
一个程序执行时间=所需CPU周期数*CPU时钟周期。因此提高CPU时钟频率也可以加快程序执行速度。
CPI 执行每条指令所需的时钟周期数，标识了指令的性能。
因此CPU执行程序时间=指令条数 * CPI * 时钟周期
不过三者是有关联的，尽量不要取其中一部分去预测确定的性能结果。
比如 MIPS：指令数/执行时间 * 10^-6 或者 时钟频率/CPI * 10^-6，代表每秒执行几百万条指令。但是这个参数没法直接拿去衡量性能，比如不同计算机指令集条数不一样，同一计算机不同程序 MIPS 值不一样……
下例A的 MIPS 更高，但是B更快。
能耗和功耗
功耗：单位时间消耗多少能量。
能耗：能效比，比如完成某个任务消耗的能量。
单纯功耗低不一定能耗低，因此能耗比功耗更有价值。
目前占统治地位的集成电路技术是 CMOS，能耗主要取决于晶体管开关的动态能耗。一次翻转的能耗=负载电容 * 电压^2. 晶体管功耗=动态能耗 * 开关频率。
随着时钟频率增长功耗也逐渐增加，近年来功耗达到了临界的“功耗墙”，即功耗增加造成的升温快到承受极限了。当然我们也可以采取冷却办法，但是成本很高，因此不能再一味提高时钟频率了，要寻找新方法。也就是单处理器向多处理器的转变（2000年前后开始的）。
多处理器
虽然处理器核心数量增加了，但是因此程序也需要重新编写来适配多核。我们要让大家的分配平衡，同时不要有太多通信和同步的开销。
本章示例：SPEC CPU基准测试程序
SPEC 是诸多计算机销售商资助的，用于建立基准测试集的合作组织。比如 SPEC CPU 2006 包括12个整数基准程序集，17个浮点基准程序集，其中包含C编译、仿真量子计算机、分子动力学质点法等程序。除此之外还有能耗功耗测试集。
结果被称为 SPECratio，值越大表示性能越快（执行时间的倒数）。综合几何平均值是所有 SPECratio 相乘，开n次方根。