W3. Архитектуры фон Неймана и Гарварда, метрики производительности, комбинационные логические схемы

Quiz | Flashcards

1. Краткое содержание

1.1 Архитектуры компьютера

1.1.1 Harvard Architecture

Harvard Architecture — схема с физически раздельными путями и памятью для команд и данных. CPU может одновременно читать команду и обращаться к памяти данных даже без кэша.

• Principle: команды и данные в разных физических модулях памяти, с отдельными шинами.
• Memory Access: память команд обычно только для чтения; память данных — чтение/запись.
• Pros: меньше накладных расходов, команда и данные могут выбираться параллельно — быстрее исполнение.
• Cons: сложнее и дороже железо — отдельные подсистемы памяти и шины.
• Usage: микроконтроллеры, DSP (Digital Signal Processors), внутренняя организация кэшей в современных CPU.

1.1.2 Von Neumann Architecture

Von Neumann Architecture (также Princeton или Stored-Program) — доминирующая схема универсальных компьютеров: и команды, и данные лежат в одной памяти.

• Principle: одна память и одна шина для команд и данных; команды обычно выполняются последовательно.
• Pros: проще управление памятью и реализация, ниже стоимость, гибкость.
• Cons: ограничение производительности Von Neumann bottleneck — общая шина становится узким местом: CPU не может одновременно выбирать команду и данные.
• Usage: практически все современные универсальные ПК — десктопы, ноутбуки, серверы.

1.2 Метрики производительности

1.2.1 Метрики уровня программы

Оценивают выполнение конкретной программы.

• Latency (или Delay / Response Time): время от вызова программы (invocation) до начала реальной работы; задержку часто дают подготовительные действия (накладные расходы ОС, выделение памяти и т.п.).
• Execution Time: полное время от вызова до завершения, включая latency и полезное исполнение.

1.2.2 Метрики уровня аппаратуры

Описывают возможности платформы.

• Bandwidth: теоретический максимум числа задач (или команд), исполняемых одновременно. У одноядерного процессора bandwidth = 1; у многоядерного — порядка числа ядер.
• Throughput: среднее число одновременно исполняемых задач за интервал — фактическая производительность, часто ниже bandwidth.
• Utilization: доля времени, когда компонент занят; например, CPU utilization 57% означает, что CPU был занят 57% измеренного интервала.

1.2.3 Философия производительности CPU и GPU

CPU и GPU проектируются под разные цели.

• CPU (Latency Optimized): как «спорткар» — рассчитан на небольшое число задач (или threads) и минимальную latency для каждой.
• GPU (Throughput Optimized): как «автобус» — рассчитан на огромное число задач одновременно и максимальный суммарный throughput, даже если latency одной задачи выше, чем у CPU.

1.3 Характеристики производительности процессора и системы

1.3.1 CPU Clock

Скорость процессора задаётся его internal clock (внутренним тактовым генератором).

• Clock Cycle: CPU работает от периодического тактового сигнала; время одного полного цикла «вкл–выкл» — это clock cycle time или period \(T_c\) (в наносекундах).
• Clock Frequency (или Rate): \(F_c = 1/T_c\) — число циклов в секунду (Гц, ГГц), то есть обратная величина длительности такта. Длительность такта определяется временем, нужным для завершения самой медленной команды.

1.3.2 Типичные характеристики компонентов

Ориентиры для современных десктопов и ноутбуков.

1.4 Amdahl’s Law

Amdahl’s Law даёт оценку максимального ускорения системы при улучшении только части системы; часто применяют к ускорению программы на нескольких ядрах.

• Суть модели: любая программа состоит из serial portion (последовательная часть) и parallel portion (часть, которую можно распределить по ядрам).
• Следствие: ускорение от добавления ядер в конечном счёте ограничено последовательной долей; даже при бесконечном числе процессоров время выполнения не может быть меньше времени serial portion.
• Формула: \[ \text{speedup} = \frac{1}{x + \frac{1-x}{m}} \] где \(x\) — доля последовательного кода, \(m\) — число ядер.

1.5 Комбинационные логические схемы

1.5.1 Базовая терминология

• Boolean Function: функция с двоичными входами (0/1) и одним двоичным выходом; основа цифровых схем (Джордж Буль).
• Truth Table: таблица всех входных комбинаций и выходов.
• Logic Gate: электронный узел (обычно на транзисторах), реализующий элементарную булеву функцию (AND, OR, NOT).
• Logic Circuit: соединение вентилей для более сложной функции; выход одного вентиля может быть входом другого.

1.5.2 Основные вентили

• AND: 1 только если все входы 1.
• OR: 1 если хотя бы один вход 1.
• NOT: инверсия единственного входа.
• NAND (Not-AND): инверсия AND; 0 только когда все входы 1.
• NOR (Not-OR): инверсия OR; 1 только когда все входы 0.
• XOR (Exclusive-OR): 1 если входы различны; при двух единицах на входе — 0 (в отличие от OR).
• XNOR (Exclusive-NOR): инверсия XOR; 1 если входы одинаковы.

1.5.3 Универсальные вентили

Universal gate — вентиль, из которого можно собрать любой другой без дополнительных типов.

• NAND и NOR: оба универсальны (например, NOT из NAND — соединить входы; AND/OR строятся композицией).
• Значение: любую схему можно строить из одного типа вентилей — упрощает производство.

---

2. Определения

• Boolean Function: функция с двоичными входами и одним двоичным выходом.
• Truth Table: таблица истинности — все входы и соответствующие выходы.
• Logic Gate: физическое устройство, реализующее элементарную логическую операцию.
• Logic Circuit: структура из соединённых вентилей для более сложной булевой функции.
• Universal Gate: вентиль (NAND или NOR), из которого строятся остальные.
• Harvard Architecture: раздельная память и шины для команд и данных, допускающие параллельный доступ.
• Von Neumann Architecture: единая память для команд и данных.
• Von Neumann Bottleneck: ограничение производительности из‑за общей шины между CPU и памятью.
• Latency: задержка между запуском процесса и началом полезной работы.
• Execution Time: полное время выполнения программы от вызова до завершения.
• Bandwidth: теоретический максимум скорости, с которой система может обрабатывать данные или команды.
• Throughput: средняя фактическая скорость обработки данных или команд за заданный интервал.
• Amdahl’s Law: формула предельного ускорения при улучшении только части системы.