深入浅出计算机组成原理——入门篇（01-04）

全文内容主要来自对课程《深入浅出计算机组成原理》的学习笔记。

01 | 冯·诺依曼体系结构

计算机的基本硬件组成

三大件：CPU、内存和主板。

• CPU：最重要的核心配件,中央处理器（Central Processing Unit）.
• 内存（Memory）：存放程序和数据要被 CPU 读取和计算完之后，写回到内存.
• 主板（Motherboard）：主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题。

总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。

• 输入/输出（I/O）设备：键盘、鼠标，显示器等；
• 硬盘：让各种数据才能持久地保存下来。
• 显卡（Graphics Card）：是另一个“处理器”，也就是 GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）。

冯·诺依曼体系结构

手机制造商们选择把 CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上。这种方式叫 SoC，也就是 System on a Chip（系统芯片）。

实际上都遵从冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机。两个概念: 一个是“可编程”计算机，一个是“存储”计算机。

基于当时在秘密开发的 EDVAC 写了一篇报告《First Draft of a Report on the EDVAC》，描述了他心目中的一台计算机应该长什么样。这篇报告在历史上有个很特殊的简称，叫 First Draft，翻译成中文，其实就是《第一份草案》。现代计算机的发展就从这开始了。

1. 包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）的处理器单元（Processing Unit），
2. 包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元（Control Unit/CU），用来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。
3. 大容量的外部存储，磁带、硬盘。
4. 各种输入和输出设备，

任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中。

图灵机与冯诺依曼机的概念区别：

• 图灵机是一种思想模型（计算机的基本理论基础），是一种有穷的、构造性的问题的问题求解思路，图灵认为凡是能用算法解决的问题也一定能用图灵机解决；
• 冯诺依曼提出了“存储程序”的计算机设计思想，并“参照”图灵模型设计了历史上第一台电子计算机，即冯诺依曼机。

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02 | 计算机组成原理学习路线

如下图所示，整个计算机组成原理，就是围绕着计算机是如何组织运作展开的。

计算机组成原理知识地图

计算机的基本组成-五大组件

• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备

2个核心指标

• 性能
• 功耗

计算机的指令和计算

• 指令执行的控制过程就是控制器来控制的。
• 实现加法、乘法这些运算功能的 ALU （Arithmetic Logic Unit/ALU），也就是算术逻辑单元，就是运算器。
• 最后需要了解存储器的原理，例如 CPU 高速缓存、内存、SSD 硬盘和机械硬盘的工作原理。

入门书籍

1. 《计算机是怎样跑起来的》
2. 《程序是怎样跑起来的》
3. Coursera 上的北京大学免费公开课《Computer Organization》
4. 《计算机组成与设计：硬件 / 软件接口》，配套视频
5. 《深入理解计算机系统》，配套视频
6. 操作系统大神塔能鲍姆（Andrew S. Tanenbaum）的《计算机组成：结构化方法》
7. 《计算机体系结构：量化研究方法》。

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03 | CPU主频和“性能”

性能=时间的倒数

性能的衡量标准（2个）：

• 响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）
• 吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth）

一般定义：性能 = 1/响应时间

计算机的计时单位：CPU 时钟

要想准确统计某个程序运行时间来对比实际性能，我们得把cpu在程序间切换和磁盘取数等时间刨除掉。

Linux的time命令为例，有3种time：

• real time：程序整个运行花掉的自然时间；
• user time：用户态运行指令的 cpu 时间；
• sys time： 操作系统内核里运行指令的 cpu 时间。

程序实际花费的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 加上 sys time。

如下面case，实际上只有0.031+0.016=0.047s是真正用来运行程序的。
注意：如果在多个cpu上测试，user time 和 sys time 是它们的和，大概率会 realtime < user time + sys time。

$ time seq 1000000 | wc -l
1000000

real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys   0m0.016s

程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间

时钟周期时间（Clock Cycle）：CPU内部有晶体振荡器（Oscillator Crystal），简称为晶振，其每一次“滴答”就是时钟周期时间。

电脑的主频（Frequency/Clock Rate），例如2.8GHz就是在1s内执行的简单指令的数量是 2.8G 条。那么该cpu的始终周期时间就是 1/2.8G 。(1G=10亿)

cpu 的超频就是时钟周期时间调快了，但功耗大散热压力大，容易崩溃。

程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间

提升cpu性能的最简单方案就是提升主频，从而使得时钟周期时间变小。

CPU 时钟周期数=指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）。

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

所以优化性能主要有：

1. 降低时钟周期时间，就是计算机主频；
2. 减少每条指令的平均时钟周期数 CPI；
3. 减少指令数；

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04 | 提升“性能”

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

简单看就3条路：指令数、CPI 以及 CPU 主频。

功耗：CPU 的极限

CPU的主频变化，在奔腾4时代进入瓶颈期。高频的cpu实际性能很低。原因就是功耗。
为了性能，CPU 里，要么增加晶体管密度，要么提升主频（晶体管开关更快），但这2项操作都会增加功耗。

功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量

根据公式，为了降低功耗，降低电压是一个办法。

从 5MHz 主频的 8086 到 5GHz 主频的 Intel i9，CPU 的电压已经从 5V 左右下降到了 1V 左右。

阿姆达尔定律

• 从奔腾 4 开始，通过提升主频比较“难”去实现性能提升。
• 多核 CPU，通过提升“吞吐率”也可以提升性能。

多核CPU，即并行提高性能，但不是所有计算任务都可以，需要满足：

1. 计算本身可以拆分成独立并行的任务；
2. 计算可分解，结果可以合并；
3. 汇总的时候无法完全并行。

阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）： 优化后的执行时间 = 受优化影响的执行时间 / 加速倍数 + 不受影响的执行时间

在“摩尔定律”和“并行计算”之外，几个原则性的性能提升方法：

1. 加速大概率事件
   例如：缓存机制；矩阵运算使用 GPU 替换 CPU。

2. 通过流水线提高性能
   例如：串行改并行；大 sql 拆分为多个小 sql。

3. 通过预测提高性能
   例如：预计算。

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