计算机原理 二

6.寄存器和内存

“随机存取存储器”，简称“RAM”,只能在有电的情况下存储东西，比如游戏状态
另一种存储叫“持久存储”，电源关闭时数据也不会丢失

存1位（AND-OR Latch - 锁存器）
将输出值回流到输入值，其输出结果仍然保持不变，这便使得可以持久存储。结果就好像是被锁住一样，因此形象的称为“锁存”

放入数据的动作叫写入，拿出数据的动作叫读取
两条线：一条是数据输入,另一条是启用写入线

只有当写入线启用时，写入的数据才会存储到计算机里面，读取数据时才会更新为刚刚写入的值

存8位 （register - 寄存器）
位宽表示内存或显存一次能传输的数据量

随着存储位数的增加，需要的线也越来越多。矩阵便是解决这个问题的方法
16x16 的矩阵便可以存 256 位
数据选择器/多路复用器（Multiplexer）解码8位地址，定位到单个锁存器

4位代表行，4位代表列
如1100 1000 就代表12行8列的锁存器
再比如0000 0001就代表0行1列的锁存器
（行和列均由0开始）

组合256位内存 + 多路复用器

可寻址的256字节 内存
一条1980年代的内存，1M大小
8个模块，每个模块有32个小方块，
每个小方块有4个小块，每个小块是128位x64位

7.中央处理器（CPU）

RAM（一大块内存，能在不同地址存大量数据） + 寄存器（很小的一块内存，能存一个值） + ALU（算术逻辑单元）做成了计算机的心脏“中央处理单元”简称CPU

CPU负责执行程序
解释**“取指令–>解码–>执行”**这个循环

CPU完成“取指令–>解码–>执行”每一步的速度叫**“时钟速度”**
其中单位是赫兹–赫兹是用来表示频率的单位，1赫兹代表1秒1个周期
举个例子：6min执行了4条指令（读取–>读取–>相加–>存储）
而每条指令经历了“取指令–>解码–>执行”三个时钟速度
因此就是4（4条指令）*3（每条指令需要花费的时间速度）/3600s（四条指令总花费的时间），所以时钟速度大概是0.03赫兹

超频提升性能，降频省电

8.指令和程序

每个地址可以存8位数据
前四位是“操作码”，后四位是内存地址，或寄存器

指令 操作码

LOAD_A（寄存器A） 0010

LOAD_B（寄存器B）

例如00101110，其中前四位代表指令LOAD_A，后四位指定内存地址的值，放入寄存器A
后四位是1110，十进制过后是14。因此00101110可以看成LOAD_A 14指令，从地址14拿
到数字然后放入寄存器A（LOAD_B同理）

ADD指令

例如“ADD B A”告诉ALU把寄存器B和寄存器A里的数字加起来
特别注意：B和A的顺序很重要，因为结果会存在第二个寄存器。也就是这里会存在寄存器A里

STORE_A指令

例如：STORE_A 13就是把寄存器A的值存入内存地址13

SUB指令

实现减法操作，与ADD一致，也是两个寄存器进行操作

JUMP指令

实现跳转，让程序跳转到新的位置
例如JUMP 0可以跳回开头
JUMP在底层的实现方式是把指令后四位代表的内存地址的值覆盖掉“指令地址寄存器”里的值

还有一个特别版的JUMP叫JUMP_NEGATIVE

它只在ALU的“负数标志”为真时，进行JUMP

HALT（停止）指令

能够区分指令和数据 使计算机停下来

带条件的跳转，JUMP NEGATIVE是负数才跳转，还有其他类型的JUMP

因为这里的CPU是为了便于理解做的假设
其中四位2进制最多只能表示16个指令或者地址，但真正现代CPU需要用更多指令集。

两种策略
第一种策略是使位数更长，比如32位或者64位，这叫做指令长度
第二种策略是**“可变指令长度”**，长度可以是任意的，但读取相对复杂

1971年的英特尔 4004处理器，有46个指令
这是第一次把CPU做成了一个芯片，给后来的英特尔处理器带下了基础

如今英特尔酷睿i7，有上千条指令还增加了不少指令变种

9.高级CPU设计

早期是加快晶体管切换速度，来提升CPU速度

给CPU专门的除法电路（早期的除法相当是在做一个又一个的减法操作，比如16/4 在早期是16 - 4 - 4 - 4 - 4，直到碰到0或者负数才停下） + 其他电路来做复杂操作，比如游戏，视频解码

如果想要的数据已经在缓存，叫缓存命中
如果想要的数据不在缓存，叫缓存未命中

脏位–Dirty bit

缓存与RAM同步一般发生在 当缓存满了而CPU又要缓存时
在清理缓存腾出空间时，会先检查“脏位”
如果是“脏”的，在加载新内容之前，会把数据写回RAM

另一种提升性能的方法叫**“指令流水线”**
流水线设计，用1个洗衣机和1个干燥机举例
例如：你要洗一整个酒店的床单，但只有1个洗衣机和1个干燥机
选择1：按顺序来，放洗衣机等30min洗完，然后拿出湿床单，放入干燥机等30min烘干
结果1：一批床单需要1个小时

并行处理–parallelize
同样的例子
选择2：洗衣机和干燥机同时进行
结果2：效率x2

同理，CPU也可以这样处理，之前是“取址–>解码–执行>”不断重复
这种设计，三个时钟周期执行1条指令
但因为每个阶段用的是CPU的不同部分，意味着可以并行处理
例如当“执行”一个指令时，同时“解码”下一个指令，“读取”下下个指令
结果就是不同的任务重叠进行，同时用上CPU里所有的部分。这样的流水线 每个时钟周期就可以执行1个指令，吞吐量x3

但这样做也会带来几个问题：

问题1：指令之间的依赖关系，比如“读取”A地址的数据，而此时“执行”是修改A地址的数据，那么读取到的数据就是执行修改后的数据。

因此流水线处理器就要先弄清数据依赖性，必要时停止流水线，避免出问题

而如今高端的CPU会进一步，动态排序 有依赖关系的指令最小化流水线的时间也就是乱序执行–out-of-order execution

问题2：“条件跳转”，比如之前说的JUMP NEGATIVE
这些指令会改变程序的执行流

简单的流水线处理器，看到JUMP指令会停一会儿 等待条件值确定下来，一旦JUMP的结果出了，处理器就会继续流水线

而空等会造成延迟，所以高端处理器就会用一些技巧
例如：将JUMP想成是“岔路口”，高端CPU会猜哪条路的可能性大一些，然后提前把指令放进流水线，这叫**“推测执行”**，当JUMP的结果出了，如果CPU猜对了，流水线已经塞满正确指令，可以马上运行；如果CPU猜错了，就要清空流水线

为了尽可能减少清空流水线的次数，CPU厂商开发了复杂的方法，来猜测哪条分支更有可能，叫**“分支预测”**，现代CPU的正确率超过90%

理想情况下，流水线一个时钟周期完成1个指令，然后“超标量处理器”出现了，一个时钟周期完成了多个指令

但即使有流水线设计，在指令执行阶段，处理器有些区域还是可能会空闲
比如，执行一个“从内存取值”指令期间，ALU会闲置，所以一次性处理多条指令（取指令+解码）会更好

超级计算机，中国的“神威 太湖之光”
有40960个CPU，每个CPU有256个核心

10.早期的编程方式

给机器编程的需求远在计算机出现前就有了

例如如果你只想织一块红色大桌布，可以直接放红线进织布机，但如果是图案，工人则要每隔一会儿，调整一次织布机。因此非常消耗劳动力，导致图案纺织品很贵

由此约瑟夫·玛丽·雅卡尔 发明了可编程纺织机，于1801年首次亮相
每一行的图案由可穿孔纸卡决定，特定位置有没有穿孔，决定了线是高是低

打孔纸卡–Punched card，便宜、可靠、也易懂
并且在1890年用于美国人口普查

插线板–Plugboard
插线板不同意味着执行不同的程序，比如一个插线板算销售税，另一个算工资单
但插线板十分复杂，而人们急需更快、更灵活的新方式来编程

冯诺依曼架构
程序和数据都存在这里
冯诺依曼计算机的标志是：一个处理器（有算术逻辑单元）+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存（负责存数据和指令）

面板编程
比起插线板用到大量的线，面板编程可以用一大堆开关和按钮，做到相同的效果

第一款取得商业成功的家用计算机Altair 8800

编程依然很困难，人们需要更友好更简单的方式编程–编程语言