1.1 计算应用的分类：

1.2 计算机系统结构中8个伟大思想

1.2.1 面向摩尔定律的设计

1.2.2 使用抽象简化设计

1.2.3 加速大概率事件

1.2.4 通过并行提高性能

1.2.5 通过流水线提高性能

1.2.6 通过预测提高性能

1.2.7 存储器层次

1.2.8 通过冗余提高可靠性

1.3 程序概念入门

1.4 硬件概念入门

1.4.1 显示器

1.4.2 触摸屏

1.4.3 数据存储结构

1.5 芯片制造

1.6 性能

1.7 功耗墙

1.8 从单核到多核（并行）

1.9 谬误与陷阱

1.1 计算应用的分类：

个人计算机

服务器

嵌入式计算机

1.2 计算机系统结构中8个伟大思想

1.2.1 面向摩尔定律的设计

由于摩尔定律，设计者需要设计开始时预测设计完成时的工艺水平。

1.2.2 使用抽象简化设计

为提高设计产量，减少设计时间，设计师需要使用抽象来表示不同的设计层次。

1.2.3 加速大概率事件

大概率事件表示经常发生的，优化大概率事件对性能提高更大。

1.2.4 通过并行提高性能

1.2.5 通过流水线提高性能

流水是一种特别的并行方法

1.2.6 通过预测提高性能

误预估恢复执行的代价不高，预测准确率相对较高的情况下，通过预估提前开始某些操作，从而提高性能。

1.2.7 存储器层次

存储器的目标：速度更快，容量更大，价格更便宜

解决方法：越靠近顶端，存储器速度越快，容量越小，价格越贵；越靠近底层，存储速度越慢，容量越大，价格越便宜。

1.2.8 通过冗余提高可靠性

冗余部件可以替代失效部件并帮助检查错误。

1.3 程序概念入门

计算机中的硬件只能执行极为简单的低级指令，从复杂的应用程序到简单的指令需要经过几个软件层次来将复杂的高层次操作逐步解释或翻译成简单的计算机指令。

图1-1 简化的硬件和软件层次图

系统软件：提供常用的软件服务，包括操作系统、编译程序、加载程序和汇编程序等。其中操作系统和编译程序时对于计算机系统来说是必须的。

操作系统：使用户程序和硬件之间的接口，为用户提供各种服务和监控功能。其重要作用有:

1、处理基本的输入输出操作；

2、分配内存和外存；

3、为多个应用程序提供共享计算机资源的服务。

常见的操作系统有Linux、Windows和iOS。

编译程序：把高级语言（如C、C++、Java等）编写的程序翻译成硬件能执行的指令。

那么如何将高级语言翻译成硬件语言？下面将简单的介绍一下过程，首先先介绍几个概念。

指令：能被计算机硬件识别并执行的命令，如1000110010100000。

机器语言：以二进制元形式表示的机器指令，如1000110010100000。

汇编语言：以助记符形式表示的指令，如 add A,B 。

汇编程序：将汇编语言翻译成机器语言。

高级编程语言：常见的高级编程语言有C、C++、Java，其具有一下优点：

1、使程序员可以用更自然的语言思考；

2、提高了程序员的生产效率；

3、提高了程序相对计算机的独立性（高级编程语言可以翻译成任何计算机的二进制元形式）。

高级编程语言翻译到计算机硬件识别的机器语言过程如下图所示：

图1-2 高级语言到机器语言翻译流程（某些编译器直接生成机器语言）

1.4 硬件概念入门

计算机的基本功能：输入数据、输出数据、存储数据和处理数据。

组成计算机的5个基本部件：

输入部件：数据写入存储器。

输出部件：从内存中读出数据。

存储器：是程序运行时的存储空间，同时也用于保存程序运行时所使用的数据，由DRAM组成。

数据通路：负责完成算数运算。

控制器：向数据通路、存储器、输入和输出部件发出命令信号。

处理器：数据通路和控制器合称为处理器，处理器也称为中央处理单元(CPU)，其从存储器中得到指令和数据。

缓存(cache)：在处理器内部的存储器，由SRAM组成，速度更快，价格更贵。

它们之间的关系如下图所示：

图1-3 组成计算机的5个基本部件

1.4.1 显示器

液晶显示的原理：通电时，液态分子棒不弯曲，光线不能通过；不施加电压时，液态分子棒弯曲，通过光线。

根据屏幕尺寸和分辨率，像素矩阵的大小可以从1024*768到2048*1536。每个像素由三原色组成，每个三原色用8位表示，所以每个像素用24位表示。例如一个彩色显示屏的分辨率为1280*1024，则一帧图像需要的1280*1024*24bit的缓存空间。

1.4.2 触摸屏

触摸屏原理（电容感应）：绝缘玻璃上覆盖着一层透明导体，当人的手指接触到屏幕时，由于人是导体，会使屏幕上的电场发生变化，进而导致电容变化。

1.4.3 数据存储结构

主存储器：易失性存储器，用来保持运行中的程序，一般由DRAM组成。

二级存储器：非易失性存储器，用来保存两次运行之间的程序和数据。在个人移动设备中一般由闪存组成（flash）,在服务器中由磁盘组成。

计算机存储系统
存储系统	内存	寄存器（register）	CPU内部
		缓存（cache）	SRAM（CPU内部）
		主存储器	DRAM
		二级存储器	flash、磁盘
	外存		硬盘、U盘、光盘

1.5 芯片制造

芯片制造的简要过程如下图所示：

图1-4 芯片制造简要过程

成品率(yield)：每片晶圆上合格芯片数占总芯片数的百分比。

1.6 性能

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量。

“x比y快n倍” 或 “x是y的n倍快”

响应时间
	CPU执行时间（CPU时间）
	用户CPU时间	系统CPU时间

CPU执行时间（CPU时间）：在CPU上花费的时间，不包括等待I/O或运行其他程序的时间。

用户CPU时间（CPU性能）：在程序本身所花费的CPU时间。

系统CPU时间：为执行程序而花费在操作系统上的时间。

系统性能：表示空载系统的响应时间。

1.7 功耗墙

CMOS晶体管的功耗主要是动态功耗，每个晶体管的一次翻转的功耗为

开关频率：是时钟频率的函数；

负载电容：是连接到输出上的晶体管数量（称为扇出）和工艺的函数。

过分通过降低电压来减少动态功耗，会导致晶体管泄露电流过大，从而增加静态功耗，这就是功耗墙。

1.8 从单核到多核（并行）

多核处理器是为了只追求更大的吞吐率，而不是继续追求单个程序运行在单个处理器上的响应时间。

1.9 谬误与陷阱

谬误是在实际中经常遇到的误解，陷阱是那些容易犯的错误。

陷阱1：在改进计算机的某个方面时，期望总性能的提高与改进的大小成正比。

在通过使用加速大概率事件思想来提高性能时，性能的提升可能受所使用的改进特征的数量限制，使得“收益递减”。

谬误1：利用率低的计算机功耗低。

谬误2：面向性能的设计和面向能量效率的设计具有不相关的目标。

能耗=时间*功耗。提高性能，减少系统运行时间，从整体上减少了能耗。所以两种设计方法相互关联。

陷阱2：用性能公式的一个子集去度量性能。

简单的使用时钟频率、指令数和CPI之一或之二去预测性能是错误的。

另一种度量性能的方法MIPS，公式如下：

速度越快，MIPS越高，但MIPS不能准确度量性能。

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