# Chap. 01 - Computer Abstractions and Technology
> 課程內容 : 清華大學開放式課程 黃婷婷教授
> 參考書目 : Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface (5th), David A. Patterson, John L. Hennessy
>
> 其他科目內容請參見 [[Here]](https://hackmd.io/@ChenZE/By4SOO6Jyl)

## 1. The computer revolution
### 1.1 Moore's law (摩爾定律)
> 每 1.5 年(18個月)，單一晶片(chip)中的電晶體(transistor)數量會成長 2 倍

## 2. Abstraction
### 2.1 Below our program
電腦中運行的程式(program)通常由三個部分組成
* Application software : 應用程式
* 通常是以 high-level language (Ex: C)編寫
* System software : 將應用程式與底層的硬體連接，目的是要幫助 app 做事情
* Complier
* Operating system
* Hardware

而程式碼也分成三個等級
* high-level language (高階語言)
* 更接近人類問題的描述方式
* 提供更好的生產力與可攜性
* 透過 complier 編譯成組合語言
* assembly language (組合語言)
* 指令的描述方式
* 透過 assembler 組譯成機器語言
* machine language
* 由一堆 0 與 1 的 binary bit 組成
* 將指令解碼提供給硬體設備

### 2.2 Inside the CPU
CPU 的內部由三個元件組成
* Datapath(資料路徑)
* 主要執行運算以及資料處理存取的地方
* 通常由一系列的小元件構成 Ex: register, ALU, ...
* Control unit(控制單元)
* 依據指令來指揮 datapath, memory, I/O 等硬體的運作
* Cache memory
* SRAM memory
* 可以看成是一種較小且較快的記憶體，但只存在 CPU 晶片中


## 3. Technology
### 3.1 Performance

**Definition**
* Resoinse time
* How long it takes to do a task
* 表示「多久完成」
* Throughout
* Total work done per unit time
* 表示「單位時間內完成的工作量」

以上兩者主要會受到 processor(處理器)的世代不同或是數量不同而有所差異，此處主要聚焦在 response time

**Measuring executing time**
* Elapsed time
* 整體的 response time(包含 I/O, idle 等的處理時間)
* CPU time
* 處理單一任務的時間
* 由 user CPU time + system CPU time 組成

**Relative performance(相對效能)**

Define

$$
\text{Performance}=\frac{1}{\text{Execution time}}
$$

意即，效能與執行的時間成反比。如果表示「X 的效能是 Y 的 N 倍」，則

$$
\frac{\text{Performance}_x}{\text{Performance}_y}=\frac{\text{Execution time}_y}{\text{Execution time}_x}=n
$$

**處理器的效能評估**

習慣上會以 CPU clocking 來評估處理器的效能。clock 可視為一個由硬體所產生的訊號，這個訊號可以用來控制 data transfer 以及 computation

* Clock period (i.e., 週期)
* 單一 clock cycle 所需的時間(單位: 秒)
* Clock frequency (i.e., 頻率)
* 每秒的 clock cycle 數量(單位: 赫茲)


CPU 執行時間的定義如下 :

$$
\begin{aligned}
\text{CPU time} &= \text{CPU clock cycles} \times \text{clock cycle time}\\
&= \frac{\text{CPU clock cycles}}{\text{clock rate}}
\end{aligned}
$$

因為速率與頻率是相同概念，所以
$$
\frac{1}{\text{clock rate}} = \text{clock period} = \frac{\text{sec}}{\text{clock cycle}}
$$

舉例 :

Computer A : 2 GHz clock, 10s CPU time
Design another computer B
* aim for 6s CPU time
* can do fast, but causes $1.2 \times$ clock cycles

How fast must computer B clock be ?


**程式效能評估**

* CPI : clock per instruction
* 一個 instruction 要多少的 clock cycles
* Instruction count 主要由程式、ISA、編譯器所決定

$$
\begin{aligned}
\text{clock cycles} &= \text{instruction count} \times \text{CPI}\\
\text{CPU time} &= \frac{\text{clock cycles}}{\text{clock rate}}\\
&=\frac{\text{instruction count} \times \text{CPI}}{\text{clock rate}}
\end{aligned}
$$

舉例 :
* Computer A
* cycle time : 250
* CPI : 2
* Computer B
* cycle time : 500
* CPI : 1.2
* sams ISA (program 產生的東西用相同的 ISA 來執行)

Which is faster ? How much ?