计算机组成原理(二)

计算机性能

• 如果将计算机比作一个搬砖工人
• 响应时间( 执行时间 ) ( 跑的更快 )
  • 我们执行一个程序，到底需要花多少时间
• 吞吐率( 带宽 ) ( 搬的更多 )
  • 在一定的时间范围内 处理的数据或者执行的程序指令

提升吞吐率的办法有很多。大部分时候，我们只要多加一些机器，多堆一些硬件就好了
但是响应时间的提升却没有那么容易，因为 CPU 的性能提升其实在 10 年前就处于“挤牙膏”的状态了

• 我们一般把性能，定义成响应时间的倒数

  • 性能 = 1/ 响应时间

• 计算机的计时单位：CPU 时钟

  • 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:
CPU 的主频。比如我手头的这台电脑就是 Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里的 2.8GHz 就是电脑的主频（Frequency/Clock Rate）。这个 2.8GHz，我们可以先粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，可以执行的简单指令的数量是 2.8G 条
如果想要更准确一点描述，这个 2.8GHz 就代表，我们 CPU 的一个“钟表”能够识别出来的最小的时间间隔
我们把晶振当成 CPU 内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间
最简单的提升性能方案，自然缩短时钟周期时间，也就是提升主频

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

我们想要解决性能问题，其实就是要优化这三者

1. 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。比如说，我最早使用的 80386 主频只有 33MHz，现在手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提升了将近 100 倍。
2. 每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。在后面讲解 CPU 结构的时候，我们会看到，现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
3. 指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。

主频提升瓶颈
功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量

功耗增加太多，就会导致 CPU 散热跟不上，这时，我们就需要降低电压。这里有一点非常关键，在整个功耗的公式里面，功耗和电压的平方是成正比的。这意味着电压下降到原来的 1/5，整个的功耗会变成原来的 1/25
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。这也是为什么我们 CPU 的主频提升了 1000 倍，但是功耗只增长了 40 倍
Surface Go，在这样的轻薄笔记本上，微软就是选择了把电压下降到 0.25V 的低电压 CPU，使得笔记本能有更长的续航时间

并行提升的瓶颈

从奔腾 4 开始，Intel 意识到通过提升主频比较“难”去实现性能提升，边开始推出 Core Duo 这样的多核 CPU，通过提升“吞吐率”而不是“响应时间”，来达到目的
提升响应时间，就好比提升你用的交通工具的速度，比如原本你是开汽车，现在变成了火车乃至飞机。本来开车从上海到北京要 20 个小时，换成飞机就只要 2 个小时了，但是，在此之上，再想要提升速度就不太容易了。我们的 CPU 在奔腾 4 的年代，就好比已经到了飞机这个速度极限
相比于给飞机提速，工程师们又想到了新的办法，可以一次同时开 2 架、4 架乃至 8 架飞机，这就好像我们现在用的 2 核、4 核，乃至 8 核的 CPU

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。最典型的就是，过去几年流行的深度学习，整个计算过程中，99% 都是向量和矩阵计算，于是，工程师们通过用 GPU 替代 CPU，大幅度提升了深度学习的模型训练过程。本来一个 CPU 需要跑几小时甚至几天的程序，GPU 只需要几分钟就好了。Google 更是不满足于 GPU 的性能，进一步地推出了 TPU。后面的文章，我也会为你讲解 GPU 和 TPU 的基本构造和原理。

2.通过流水线提高性能。现代的工厂里的生产线叫“流水线”。我们可以把装配 iPhone 这样的任务拆分成一个个细分的任务，让每个人都只需要处理一道工序，最大化整个工厂的生产效率。类似的，我们的 CPU 其实就是一个“运算工厂”。我们把 CPU 指令执行的过程进行拆分，细化运行，也是现代 CPU 在主频没有办法提升那么多的情况下，性能仍然可以得到提升的重要原因之一。我们在后面也会讲到，现代 CPU 里是如何通过流水线来提升性能的，以及反面的，过长的流水线会带来什么新的功耗和效率上的负面影响。

3.通过预测提高性能。通过预先猜测下一步该干什么，而不是等上一步运行的结果，提前进行运算，也是让程序跑得更快一点的办法。典型的例子就是在一个循环访问数组的时候，凭经验，你也会猜到下一步我们会访问数组的下一项。后面要讲的“分支和冒险”、“局部性原理”这些 CPU 和存储系统设计方法，其实都是在利用我们对于未来的“预测”，提前进行相应的操作，来提升我们的程序性能。

从编译到汇编

CPU如何执行基础语句

一行 C 语言代码，有时候只对应一条机器码和汇编代码，有时候则是对应两条机器码和汇编代码
汇编代码和机器码之间是一一对应的

从高级语言到汇编代码，再到机器码，就是一个日常开发程序，最终变成了 CPU 可以执行的计算机指令的过程

解析指令和机器码

第一类是算术类指令。我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令
第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据，用的都是数据传输类指令
第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令
第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”，其实都是条件分支类指令
最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序，我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候，其实就是发起了一个无条件跳转指令

下面我们来看看，汇编器是怎么把对应的汇编代码，翻译成为机器码的

• MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。
  • R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。
  • I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。
  • J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

add $t0,$s2,$s1

我以一个简单的加法算术指令 add t0,s1, $s2, 为例，给你解释。为了方便，我们下面都用十进制来表示对应的代码。
对应的 MIPS 指令里 opcode 是 0，rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17，rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18，rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址，是 8。因为不是位移操作，所以位移量是 0。把这些数字拼在一起，就变成了一个 MIPS 的加法指令

果我们用打孔代表 1，没有打孔代表 0，用 4 行 8 列代表一条指令来打一个穿孔纸带，那么这条命令大概就长这样(竖着读)

CPU如何执行条件语句

CPU 是如何执行指令的
逻辑上，我们可以认为，CPU 其实就是由一堆寄存器组成的。而寄存器就是 CPU 内部，由多个触发器（Flip-Flop）或者锁存器（Latches）组成的简单电路
N 个触发器或者锁存器，就可以组成一个 N 位（Bit）的寄存器，能够保存 N 位的数据。比方说，我们用的 64 位 Intel 服务器，寄存器就是 64 位的

• PC 寄存器（Program Counter Register），我们也叫指令地址寄存器（Instruction Address Register）。顾名思义，它就是用来存放下一条需要执行的计算机指令的内存地址
• 指令寄存器（Instruction Register），用来存放当前正在执行的指令
• 条件码寄存器（Status Register），用里面的一个一个标记位（Flag），存放 CPU 进行算术或者逻辑计算的结果
• CPU 里面还有更多用来存储数据和内存地址的寄存器。这样的寄存器通常一类里面不止一个。我们通常根据存放的数据内容来给它们取名字，比如整数寄存器、浮点数寄存器、向量寄存器和地址寄存器等等。有些寄存器既可以存放数据，又能存放地址，我们就叫它通用寄存器

• 有些特殊指令，比如上一讲我们讲到 J 类指令，也就是跳转指令，会修改 PC 寄存器里面的地址值。这样，下一条要执行的指令就不是从内存里面顺序加载的了。事实上，这些跳转指令的存在，也是我们可以在写程序的时候，使用 if…else 条件语句和 while/for 循环语句的原因

如果你看一长条打孔卡的话，就会看到卡片往后移动一段，执行了之后，又反向移动，去重新执行前面的指令
jle 和 jmp 指令，有点像程序语言里面的 goto 命令，直接指定了一个特定条件下的跳转位置。虽然我们在用高级语言开发程序的时候反对使用 goto，但是实际在机器指令层面，无论是 if…else…也好，还是 for/while 也好，都是用和 goto 相同的跳转到特定指令位置的方式来实现的