极客时间| 计组学习笔记

先整体: VonNeumannArchitecture 冯·诺依曼体系结构, 也叫 普林斯顿架构, 存储程序计算机=运算器+控制器+存储器+输入+输出

万丈高楼平地起:

• binary 二进制
• 电工&电路

开始打怪升级:

• CPU
• 存储与IO(见下篇)

写在最后:

• 计组知识地图
• 关于学习的碎碎念

写在前面

准备好接收知识的压缩饼干了吗? blog从自己积累的知识库中进行提炼, 如果遇到不理解的地方, 大概率是不理解相关概念, 多使用维基百科/百度百科进行搜索, 尤其是 引用 的格式, 基本上都已经在维基百科/百度百科搜索确认过

• 英文词汇: https://en.wikipedia.org/wiki/{query}
• 中文词汇: https://zh.wikipedia.org/wiki/{query} https://baike.baidu.com/item/{query}

bin 二进制 二进制可执行文件

计算机只有二进制! 计算机只有二进制! 计算机只有二进制!

编码

• 二进制: 8进制.oct 16进制.hex

• 二进制 > 十进制, 涉及到的概念: 原码.反码.补码; signed/unsigned int/uint

  • uint8=byte=ASCII: chr/ord 'a'^' '='A' 特殊字符(\n \r)

• 二进制 > float.浮点数: 浮点数转换

• 十进制 > string.字符串: charset.字符集.encoding.字符编码.乱码

  • unicode: utf8=, 1-4byte 变长, 第一个字节为 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0xxxxxxx, 常见utf8显示 \xhh\xhh
  • big5.台湾 GB2312.中国

• 字符串 + 格式 > json xml yaml toml ...

• 浮点数中的特殊值定义

e	f	s	float
0	0	0/1	0
0	!=0	0/1	0.f
255	0	0	INI_MAX
255	0	1	INI_MIN
255	!=0	0/1	NAN

运算

• 位运算: 与& 或| 非~ 异或^ << >>移位
• 位运算基础上实现加减乘除等数学运算: LeetCode上有相关的题目

附赠相关的 LeetCode 原题:

• 大数相加: https://leetcode-cn.com/problems/add-strings/
• 两数相除: https://leetcode-cn.com/problems/divide-two-integers
• utf8编码校验: https://leetcode-cn.com/problems/utf-8-validation

电工 电路

电工/电路需要了解的基础知识: 从简单门电路(与 或 非 异或)开始, 不断组合成更复杂的电路:

• 门电路>半加器>全加器>加法器>ALU 超前进位加法器
• 乘法器 并行加速.单败淘汰 电路并行.门延迟.gateDelay
• 寄存器=能够进行状态读写的电路元件=latch.锁存器+D触发器
• 自动电路.固定周期 > PC 程序计数器
• 译码电路.内存地址获取数据/指令
• 摩斯码电报机: relay.继电器 反向器

电路2大分类:

• 组合逻辑电路.加法器=固定输入固定输出
• 时序逻辑电路.时钟信号

最后:

• VLSI.超大规模集成电路

CPU

两大核心功能: 处理单元+控制单元

• processUnit.处理器单元=ALU.算术逻辑单元+processorRegister.处理器寄存器=算术和逻辑运算=datapath.数据通路/运算器
• CU.控制器单元=instructionRegister.指令寄存器+PC.程序计数器=控制程序流程=分支+跳转

cpu实现的抽象逻辑图

2个核心指标: 性能+功耗

• 性能=提速+扩大带宽
  • 性能优化: 加大大概率事件 通过预测提高性能
  • responseTime.响应时间/executionTime.执行时间 NewRelic.性能测试工具 SPEC wallClockTime.ElapseTime.time seq 1000000 | wc -l real/user/sys 指令数xCPIxCycle
    • cycle: 摩尔定律 clockCycle.时钟周期2GHz=晶振
    • CPI: pipeline.流水线
    • 指令数: 编译器优化
  • throughput.吞吐率/bandwidth.带宽
    • 并行优化 并行存储的性能分析 Amdahl's law
• 功耗~=0.5x负载电容x电压的平方x开关频率x晶体管数量

指令: 处理单元和控制单元之上的抽象

• instruction.指令=机器语言/机器码
• IS.指令集=指令格式+寻址方式

// gcc -g -c test.c // -O 编译器自动优化
// objdump -d -M intel -S test.o
#include 
#include 
int main()
{
  srand(time(NULL));
  int r = rand() % 2;
  int a = 10;
  if (r == 0)
  {
    a = 1;
  } else {
    a = 2;
  }
}

• MIPS: R.算法/逻辑 I.数据传输/条件分支 J.跳转(if/else for/while=goto)

指令类型

• call.函数调用
  • 实现: push+pop=stack.栈
  • StackOverflow
  • InfiniteMirrorEffect=a调用b+b调用a
  • stackFrame.栈帧 stackPoint.栈指针
  • inline.函数内联: 将函数调用优化为非函数调用方式, 大大减少需要执行的指令数

// gcc -g -c test.c // -O 编译器自动优化
// objdump -d -M intel -S test.o
#include 
#include 
int main()
{
  int u = add(1,2); 
}
// add_lib.c
int add(int a, int b){ return a+b;}

MIPS: add $t0,$s2,$s1

• linux.ELF.execuatableAndLinkableFileFormat symbolsTable.符号表(.text=code .data .rel.text=relocation .symtab) win.PE.portableExe
• dynamicLink.动态链接 linux.so.sharedObject win.dll.dynamicLinkLib PLT.procedureLinkTable.程序链接表 GOT.globalOffsetTable.全局偏移表

C 语言代码 - 汇编代码 - 机器码

计组知识地图

• Computer Architecture | Coursera
• 计算机组成-北大 https://www.icourse163.org/course/PKU-1205809805 https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng
• 深入浅出计算机组成原理-极客时间 2020
• Computer Architecture: A Quantitative Approach 计算机体系结构：量化研究方法; ed6 2019.7
• Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software 编码 隐匿在计算机软硬件背后的语言上; en 2019.6
• 大话计算机; 2019.5
• Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface 计算机组成与设计 硬件/软件接口; ed5 2015.7; ARM版 2018; RISC-V版;
• 计算机是怎样跑起来 程序是怎样跑起来的; 2015
• Structured Computer Organization 计算机组成：结构化方法; 操作系统大神塔能鲍姆Andrew S. Tanenbaum; ed6 2014.8
• 程序员的自我修养：链接、装载和库; 2009.4

关于学习

• Done is better than perfect. 完美比完成更重要. -- Facebook
• 怕什么真理无穷, 进一寸有进一寸的欢喜 -- 胡适
• 我们未来生活的可能性就是靠这点点滴滴串联起来的 -- 乔布斯
• 对爱的渴望, 对知识的追求, 对人类苦难不可遏制的同情, 是支配我一生的单纯而强烈的三种情感 -- 罗素
• 新的知识第一遍没有100%懂, 而随着时间的推移, 慢慢领悟成长了, 这才是人生常态.
• 长期积累, 慢慢参悟, 螺旋上升
• 持续学习, 最有效的办法: 不是短时间冲刺, 而是有节奏的坚持
• 知也无涯, 享受发现的乐趣
• 学与不学, 知识就在那里, 不如就先学好了. -- 年轻的时候不知道赚钱要干什么用, 还是要多多少少赚点, 等到知道要干什么用的时候, 至少不缺
• 6个最实用, 督促自己学习的方法: 好奇心 知识面+兴趣点+反复迭代 带着问题学习 教别人 每月投资200-300在专业学习上 坚持到底就是胜利✌