漫谈计算机体系.md

Posted 2020-10-31

人类为什么要发明计算机？一直以来，人类都有爱偷懒的习惯，而正是由于这个原因，促使了人类发明了计算机，从而提高生产力，那么人类有了更多空闲时间去娱乐了~~

冯.诺依曼结构的工作原理

冯诺依曼结构的计算机由五大组成部分，分别是计算器、控制器、存储器（内存）、输入设备和输出设备，而计算机和控制器组成CPU（center process unit，中央处理单元）。冯.诺依曼结构的特点就是数据和指令以二进制形式，不加区别的存放在存储器中。以计算两个数相加为例，首先将相关代码和数据读入到内存中，编译器将相关代码编译成汇编代码。数据200和数据400分别存放在地址为1000、1004的地方，MOVE [1000] EAX 表示将地址是1000的内容放到寄存器EAX中，MOVE [1004] EBX 表示将地址是1004的内容放到寄存器EBX中，ADD EAX EBX 表示将EAX和EBX的内容相加，并将结果存放到EBX寄存器中。我们发现，简单的数据相加在汇编层面却对应着3条指令，如果更加复杂的数据运算就需要更加复杂的指令了。

计算机各个部件的连接方式

CPU通过I/O桥和内存相连，I/O桥和IO总线相连，IO总线挂载着USB控制器、图形控制器和磁盘控制器。
总线结构（不是所有的设备都是两两相连，而是通过总线结构）

• SOA也是总线结构，服务之间并不是两两相连的

• 代码存放在磁盘中，如果要运行代码，首先需要将磁盘中的代码放到内存中，然后CPU找到这段程序的第一个地址，例如找到main方法的地址

I/O桥是对南桥和北桥的抽象

• 北桥：连接的是快速设备，例如连接的是内存

• 南桥：连接的是慢速设备
  

指令和流水线

常见的指令格式有三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令，如下图所示，其中，二地址指令所占用的空间比三地址指令要少，x86系列的处理器就是采用二地址形式的；一地址指令通常被用作累加器；零地址指令地址比较紧凑，但是要完成一件事情，一般会比二地址或三地址指令需要更多的指令，例如

iconst_1
iconst_2
iadd
istore_0

iadd（表示×××加法）指令并没有任何参数。连源地址都没有指定，零地址指令有什么作用？零地址意味着源和目标都是隐含参数，其实现依赖于一种常见的数据结构--栈。

指令的执行是分步骤的（取指、译码、执行等），也正是这个原因，它对应着不同的部件，这些部件我们要充分的利用起来，所以才有了流水线这个概念。如果不采用流水线，那么CPU的速度会变得很慢，譬如：当取值部件正在取值时，译码、执行部件是空闲的。所以，当一条指令在译码的时候，另一条指令从内存中取指令，这样做，取值部件和译码部件都可以利用起来了。

速度不匹配的问题---计算机的核心问题

下面这张图描述的是CPU、内存、硬盘和网络之间的速度差异，其中，CPU的速度是1s，主存速度是6min，硬盘速度是1~12个月，而网络速度则达到19年，我们发现这些设备的速度差别巨大，内存比CPU慢几百倍，硬盘比CPU慢几十万倍，网络比CPU慢千万倍，这样一来，CPU能坐等内存或硬盘慢吞吞的干活吗？或者说，有什么方法解决这种局面吗？

如何解决速度不匹配的问题

1. 提升硬盘等设备的速度，和CPU匹配（现阶段不可能）

2. 承认局限，但充分压榨CPU的能力，让CPU"忙死"

• 同步 -> 异步
  异步经典的例子就是DMA（Direct Memory Access，直接内存访问），CPU发起一个硬盘读的操作之后，不等待硬盘完成，立刻去干别的事情，由DMA控制器来负责把数据从硬盘读到内存，完成后通知CPU。

• 顺序 -> 并发
  顺序就是每个程序按序执行；并发就是在单个CPU上通过时间片切换方式实现执行不同指令，由于时间片很短，人类是感觉不出来的，因此我们感觉多个程序是并行执行的；而并行是在多个CPU上实现多个程序同时执行。
  

• 增加中间层

局部性原理 分为时间局部性原理和空间局部性原理，时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某条数据被访问，则不就之后该数据可能被再次访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也将被访问。

针对CPU而言，增加中间层就是增加缓存。当CPU要读取一个数据时，首先从CPU缓存中查找，找到就立即读取并送给CPU；没有找到，就从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。