计算机组成原理之入门篇

学习应用层的各种语言、框架，好比在练拳法招式，可以短期给予你回报，而深入学习“底层知识”，就是在练扎马步、核心肌肉力量，是在提升你自己的“根骨”和“资质”。

• 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。

正所谓“练拳不练功，到老一场空”。如果越早去弄清楚计算机的底层原理，在你的知识体系中“储蓄”起这些知识，也就意味着你有越长的时间来收获学习知识的“利息”。虽然一开始可能不起眼，但是随着时间带来的复利效应，你的长线投资项目，就能让你在成长的过程中越走越快。

冯·诺依曼体系结构

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）。

First Draft里面说了一台计算机应该有哪些部分组成

• 一个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）的处理器单元（Processing Unit），用来完成各种算术和逻辑运算。因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作，因此也有人把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。
• 一个包含指令寄存器（Instruction Reigster）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。在现在的计算机里，上面的算术逻辑单元和这里的控制器单元，共同组成了我们说的 CPU。
• 用来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更大容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁鼓这样的设备，现在通常就是硬盘。
• 各种输入和输出设备，以及对应的输入和输出机制。

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，而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的。

阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）：对于一个程序进行优化之后，处理器并行运算之后效率提升的情况。具体可以用这样一个公式来表示：

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

CPU 的性能

计算机的性能有个标准来衡量，这个标准中主要有两个指标：

• 第一个是响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）。想要提升响应时间这个性能指标，你可以理解为让计算机“跑得更快”。
• 第二个是吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth），想要提升这个指标，你可以理解为让计算机“搬得更多”。

性能 = 1/ 响应时间

计算机的计时单位：CPU 时钟

• Linux 下有一个叫 time 的命令，可以帮我们统计出来，同样的 Wall Clock Time 下，程序实际在 CPU 上到底花了多少时间。
  
• 我们简单运行一下 time 命令。它会返回三个值，第一个是real time，也就是我们说的 Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程中流逝掉的时间；第二个是user time，也就是 CPU 在运行你的程序，在用户态运行指令的时间；第三个是sys time，是 CPU 在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间。而程序实际花费的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 加上 sys time。
  

CPU 执行时间：程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间

• 对于 CPU 时钟周期数，可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。

CPU 的性能：程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI（每条指令的平均时钟周期数）×Clock Cycle Time

• CPU，一般都被叫作超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）。这些电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。CPU 在计算，其实就是让晶体管里面的“开关”不断地去“打开”和“关闭”，来组合完成各种运算和功能。
• 想要计算得快，一方面，我们要在 CPU 里，同样的面积里面，多放一些晶体管，也就是增加密度；另一方面，我们要让晶体管“打开”和“关闭”得更快一点，也就是提升主频。而这两者，都会增加功耗，带来耗电和散热的问题。
• 在 CPU 里面，能够放下的晶体管数量和晶体管的“开关”频率也都是有限的。一个 CPU 的功率，可以用这样一个公式来表示：

功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量

• 那么，为了要提升性能，我们需要不断地增加晶体管数量。同样的面积下，我们想要多放一点晶体管，就要把晶体管造得小一点。这个就是平时我们所说的提升“制程”。从 28nm 到 7nm，相当于晶体管本身变成了原来的 1/4 大小。

一个最常见的提升性能的方式，通过并行提高性能：

不是所有问题，都可以通过并行提高性能来解决。如果想要使用这种思想，需要满足这样几个条件

• 第一，需要进行的计算，本身可以分解成几个可以并行的任务。好比上面的乘法和加法计算，几个人可以同时进行，不会影响最后的结果。
• 第二，需要能够分解好问题，并确保几个人的结果能够汇总到一起。
• 第三，在“汇总”这个阶段，是没有办法并行进行的，还是得顺序执行，一步一步来。

阿姆达尔定律

• 对于一个程序进行优化之后，处理器并行运算之后效率提升的情况。具体可以用这样一个公式来表示：

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，在整个计算机组成层面，还有这样几个原则性的性能提升方法。

1. 加速大概率事件。
2. 通过流水线提高性能。
3. 通过预测提高性能

“人生如逆旅，我亦是行人”。你行或者不行，旅途就在那里。