Computer Organization - Ch1 Introduction

Chapter 1   Introduction

1.1   Overview

• 電腦的分類與市場：Embedded computers是目前處理器市場的主要動能，歸因於行動裝置的崛起和技術的進步(CMOS、System on  chip方法、CAD tools等)
• Desktop computers
• Server computers
• Embedded computers

• Microprocessors的分類與市場：簡單介紹兩個重要架構
• ARM架構：過去稱為進階精簡指令集機器Advanced RISC Machine，是一個32位元精簡指令集（RISC）處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由於節能的特點，ARM處理器非常適用於行動通訊領域，符合其主要設計目標為低成本、高效能、低耗電的特性。
• MIPS架構：本資料介紹計算機架構的範例使用MIPS指令。是一種採取精簡指令集（RISC）的處理器架構，由MIPS科技公司開發並授權，廣泛被使用在許多電子產品、網路設備、個人娛樂裝置與商業裝置上。最早的MIPS架構是32位元，最新的版本已經變成64位元。在MIPS架構中，指令被分為三種類型：R型、I型和J型。三種類型的指令的最高6位均為6位的opcode碼。

•  計算機架構進步的瓶頸
• The Moose's Gap
• 摩爾定律的時代將會結束，因為研究和實驗室的成本需求十分高昂，而有財力投資在建立和維護晶片工廠的企業很少。而且製程也越來越接近半導體的物理極限，將會難以再縮小下去。
• 摩爾定律：積體電路晶片上所整合的電路的數目，每隔18個月就翻一倍

• The power wall
• 微處理器的效能提升一直仰賴提高處理器的操作頻率，但在提升操作頻率的同時，也會帶來龐大的能量消耗，在這強調節能減碳的時代，能量消耗亦形成一無法再被忽視的能量障礙(Power Wall)，一來散熱問題十分嚴重，二來無法再減少電壓。
• P＝IV =  (Q/T)*V = (Q/V) * V^2 * (1/T) = C * V^2 * F

• Amdahl's law
• 它代表了處理器平行運算之後效率提升的能力。無論我們如何增大處理器數目，加速比是無法高於某個數的。 

1.2   Performance

• 測量Performance的方法
• Throughput：Total work done per unit time。適用於大型主機。
• Response time：The time it takes to do a task。適用於個人電腦，包含以下兩種
• I/O time
• CPU time：Time spent processing a given job
• system CPU (OS)
• user CPU
• CPU time的測量
  CPU time = clock數量 * 單位clock時間
  = IC[指令數量] * CPI[cycle per instruction] * 單位Clock時間

• Performance影響的因素
• Algorithm：Determines number of operations executed, affects IC, possibly CPI
• Programming language, compiler, architecture：Determine number of machine instructions executed per operation, affects IC, CPI
• Processor and memory system：Determine how fast instructions are executed, affects IC, CPI, ClockTime
• I/O system (including OS)：Determines how fast I/O operations are executed