概述
在《计算机组成原理》中，我们通常区分两个关键层次：指令集体系结构（ISA） 和 微结构（microarchitecture）。
- ISA 定义了程序员可以使用的指令（如 add、load、branch）以及它们的行为，是软硬件之间的“契约”；
- 微结构描述的是如何在内部实现这些指令，包括流水线各级、功能部件、Cache 组织等。
一般认为，单个程序在 CPU 上的执行时间可通过核心公式表示为：
T = IC\times CPI\times \text{时钟周期}=\frac{IC\times CPI}{时钟频率}
MIPS（每秒执行的百万条指令数）是一个经典性能指标，虽然 MIPS 计算简单，但有重要局限：它依赖于指令集和程序本身的指令结构，因此 MIPS 高并不一定执行时间短。定义为：
\text{MIPS}=\frac{\text{instruction count}}{\text{execution time} \times 10^6}=\frac{IC}{T\times10^6}=\frac{\text{时钟频率}}{CPI\times10^6}
当程序包含多种不同类型的指令，每类指令有自己的 CPI 时，平均 CPI 是一个加权平均数：
CPI_{AVG}=\sum_{i}CPI_i\times f_i
其中 CPI_i 是第 i 类指令的 CPI，f_i 是该类指令在全部指令中所占的比例，并且满足 \sum_i f_i = 1。
时钟频率 f（单位 Hz）与时钟周期 T_{clk}（单位 s）互为倒数。
Amdahl 定律描述的是：当系统中只有部分工作负载被加速时，整个系统可以获得的最大加速比。若原执行时间中有一部分比例为 f 被加速，其加速倍数为 S_f，则整体加速比 S 为：
S = \frac{1}{(1-f)+\frac{f}{s_f}}
这里 f 是被改进部分在“原始执行时间”中所占比例，分母表示加速后归一化的总执行时间。
Eng:
- unit conversions：单位转换
- Instruction Set Architecture (ISA)：指令集体系结构
- microarchitecture：微结构。
- IC（instruction count）：指令条数
- CPI(average clock per instruction)：平均每条指令需要的时钟周期数
- MIPS (Millions of Instructions Per Second)：每秒执行的百万条指令数
这部分考研重点与常见易错点
- 考点 1 – ISA 与微结构（基础 + 高频）：
典型题目会问“以下哪项属于 ISA”“哪项属于微结构”，例如：指令格式、寻址方式属于 ISA；流水线级数、Cache 容量属于微结构。 - 考点 2 – 执行时间公式（高频计算）：
题目常通过 IC、CPI、时钟频率来比较两台机器的快慢。常见错误是：只看频率，认为“频率高的一定快”，而忽略 IC 和 CPI。 - 考点 3 – 平均 CPI 权重（高频 + 易错）：
一定要用指令出现频率作为权重，而不是简单平均各类指令的 CPI；注意区分“时间比例”和“指令条数比例”。 - 考点 4 – 单位与 MIPS（基础但易坑）：
学生常忘记 MIPS 中的 10^6 因子，或者 Hz↔s 的换算出错。MIPS 不能直接用来比较不同 ISA 的机器。 - 考点 5 – Amdahl 定律分母（高频 + 易错）：
分母必须是 (1 - f) + f / S_f。把分母错写或用错 f（用指令比例代替时间比例）都会导致加速比错误。
IC 取决于算法 + ISA + 编译器；
CPI 取决于微结构 + 指令类型比例；
时钟频率 取决于硬件工艺 + 设计。
时间和频率换算表：
- 1s=10^3s=10^6 \mu s = 10^9 ns
- 1\text{Hz} = 1/(1s)
- 1\text{MHz} = 10^6\text{Hz},1\text{GHz} = 10^9\text{Hz}
锁存器 vs 触发器
两种寄存元素的性格
- 锁存器（level-sensitive latch）：电平透明。使能=1 的时候，输入变化会“流进来”；使能=0 时才“关门记住”。
- 边沿触发触发器（edge-triggered flip-flop）：只在时钟边沿（上升/下降沿）那一瞬间“采样输入、锁住输出”，其余时间对输入的抖动视而不见。
直觉类比 - 锁存器像“门开着就能进出”的仓库门：开门时人流会连续涌入（透明），关门才定格。
- 触发器像“闸机”：只在叮的一声那一瞬刷卡放行一次，剩下时间闸门紧闭。
因为锁存器在“门开着”的时候输入变化会传到输出，可能造成相邻两级互相干扰（信号穿透）；
而触发器只有在时钟边沿才更新输出，完全隔离各流水段。
这让流水线“一级一拍”非常清晰稳定。