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## Chapter 1 - Computer Abstractions and Technology
[TOC]
#### Seven Great Ideas
- Use abstraction to simplify design 把複雜的設計，切成一層一層的，在開發上會變得比較容易且快速。
- Make the common case fast
- Performance via parallelism 平行處理
- Performance via pipelining 接力的概念，把流程切成小部分且連續
- Performance via prediction 預處理可能的結果
- Hierarchy of memories 因為所有的資料不會一次都做使用，同一時間只會使用到一小部分的資料，所以把所有的資料放在「便宜、空間大」的儲存裝置，把要處理的資料放在「貴、空間小、速度快」的儲存裝置
- Dependability via redundancy

#### Below Your Program
- Application software 高階語言撰寫
- System software
- Compiler 把高階語言轉換成 machine code
- Operating System
- Hardware

#### Levels of Program Code
- High-level language
- Assembly language
- Hardware representation

#### Through the Looking Glass
LCD screen: picture elements (pixels)
- Frame buffer 紀錄 pixel 的顏色

#### Inside the Processor (CPU)
- Datapath: performs operations on data
- Control: 用來告訴 Datapath 要往哪裡走（控制信號）
- Cache memory: SRAM 小且快的 memory

#### Abstractions
- Instruction set architecture (ISA)
- The hardware/software interface 軟體跟硬體之間的介面

#### Memory
- Volatile memory
- RAM
- Non-volatile memory
- Hard-Disk, Flash memory, CD\DVD

#### Defining Performance
要定義一個 CPU 的 Performance 不能只單看一種面向，必須多個面向一起探討。

#### Responese Time and Throughput
- Responese Time (execution time)
- How long it takes to do a task 執行一個工作的總時間
- Throughput (bandwidth)
- Total work done per unit time 每單位時間的工作量

#### Measuring Execution Time
- Elapsed time
- Total response time 把所有的處理時間都考慮進去（包含I/O、OS overhead、idle time）
- Determines system performance
- CPU (execution) time
- Comprises **user CPU time** and **system CPU time**
:::info
一般而言，user CPU time 反映了主要邏輯程式碼的執行時間，而system CPU time 則反映了執行 I/O 操作、管理記憶體或與操作系統交互的時間。
:::

#### CPU Time
- clock cycle 指的是一個時脈週期
- clock rate 則是 CPU 每秒鐘所執行的 clock cycle 數量
- CPU Time 就是只說，完成一個 task 所需要的時脈週期總數，除以 CPU 的處理速率（clock rate）
- Performance improved by （CPU Time 要變小）
- Reducing number of clock cycles （降低一個 Task 所需的 clock cycle 數量）
- Increasing clock rate （增加 clock 頻率）
- Hardware designer must often trade off **clock rate** against **cycle count**

#### Instruction Count and CPI
- Instruction Count (IC) => 一次需要呼叫的指令數量
- CPI (Cyclesper Instruction) => 一個指令需要花費的 cycle 數量
:::success
Clock cycle 總數 = IC x CPI
CPU Time = IC x CPI / Clock Rate = IC x CPI x Clock cycle time (一個 clock cycle 所需的時間)
:::
> ISA (Instruction Set Architecture) 指令集架構

#### CPI in more detail

#### Performance Summary
- performance depends on
- Algorithm: affects IC, possibly CPI
- Programming language: affects IC, CPI
- Compiler: affects IC, CPI
- Instruction set architecture: affects IC, CPI, Tc
> Tc => Clock Cycle 的週期時間
#### Power Trends
- Frequency => clock rate
- 當 clock rate 越高，功耗(power)就會越高，所以要降低電壓，才能使得功耗不要那麼高

#### Reducing Power

- Power Wall
- 無法再降低電壓
- 無法散熱

#### Solution of Power Wall
:::danger
Uniprocessor => Multiprocessor
:::
- Requires explicitly parallel programming
- Compare with instruction level parallelism
- Hardware executes multiple intstruction at once
- Hidden from the programmer
- Hard to do
- Programming for performance
- Load balancing
- Optimizing communication and synchronization

#### SPEC CPU Benchmark
- SPEC 一個國際組織 訂定不同的 Benchmark 來評估自己的 Program
- SPEC CPU 2006
- Summarize as geometric mean of performance ratios

#### SPEC Power Benchmark
- Power consumotion of server at different workload levels
- Performance: ssj/sec
- Power: Watts (Joules/sec)

#### Pitfall: Amdahl's Law

- Corollary: make the common case fast

#### Fallacy: Low Power at Idle
- Load 的百分比 等比下降，但是 功耗 不會等比下降
- 是還需要考慮、進步的

#### Pitfal: MIPS as a Performance Metric
- MIPS: Millions of Instructions Per Second
- 比較指令的數量，不能斷定誰比較好，還是要考慮執行時間