第1章：机器接口与性能度量

指令集、实现与系统

指令集架构 ISA 规定指令效果、寄存器、数据类型、寻址和异常等可见行为。同一 ISA 可以有单周期、流水线、乱序等不同实现，只要满足规定的语义。

ABI 则规定编译后的程序怎样互相调用，例如参数放在哪些寄存器、栈如何对齐、谁保存寄存器。ISA 中存在加法指令，不意味着 ISA 已经规定 C 函数的调用方式。

对象	主要状态	主要责任
处理器核心	程序计数器、寄存器、执行队列	执行指令并保持可见结果正确
缓存与内存	数据块、标签、映射	提供容量、降低平均访问成本
互连与 I/O	请求、队列、设备状态	在核心、内存和外设间搬运数据
操作系统	进程、页表、资源归属	设置保护与共享规则

操作系统设置页表，硬件依据页表翻译地址；编译器安排指令，处理器仍可以在规定范围内重排执行。理解接口必须同时明确哪一方制定规则、哪一方执行规则。

执行时间的分解

对一次运行，CPU 时间可写成

$$T=I\times CPI\times t_{cycle}=\frac{I\times CPI}{f}.$$

$I$ 是动态指令数，不是程序文件中的静态指令数。CPI 是每条指令的平均周期数，可能因缓存失效、依赖和分支变化。频率更高并不自动更快，因为指令数和 CPI 也可能改变。

机器 A 执行 $10^9$ 条指令，CPI 为 1.5，频率 3 GHz，用时 0.5 s。机器 B 频率 4 GHz，但 CPI 为 2.4，指令数相同，用时 0.6 s。只比较 GHz 会得到相反判断。

Amdahl 定律

原程序比例为 $p$ 的时间被加速 $s$ 倍，其余不变，则整体加速比为

$$S=\frac1{(1-p)+p/s}.$$

若只优化占 30% 的部分，即使该部分耗时趋近零，总加速也不超过 $1/0.7\approx1.43$。这里的比例必须基于优化前的运行时间；不能拿指令数量占比代替耗时占比。

吞吐量与延迟也应分开：增加并行执行单元可能让单位时间完成更多任务，却未必降低单个串行任务的等待时间。

练习

1. 某优化让指令数降低 20%，CPI 增加 10%，频率不变。总时间如何变化？
2. 一个系统 CPU 利用率很低，增加核心数为何可能没有效果？
3. 区分 ISA、ABI、微体系结构中有关栈的不同规定。