来了，那天问我要的计算机基本组成原理的那个同窗（超详细）

一.简介

“练拳不练功，到老一场空”。计算机底层原理，跟上层思想紧密相连。

二.计算机组成

2.1 计算机基本硬件组成

CPU

计算机最重要的核心配件，全名叫中央处理器。

计算机的全部“计算”都是由CPU来进行的。天然，CPU也是整台计算机造价最昂贵的部分之一。

内存

你撰写的程序、打开的浏览器、运行的游戏，都要加载到内存里才能运行。程序读取的数据、计算获得的结果，也都要放在内存里。内存越大，能加载的东西天然也就越多。

主板

存放在内存里的程序和数据，须要被CPU读取，CPU计算完以后，还要把数据写回内存，然而CPU不能直接插到内存上，反之亦然。

主板是一个有着各类各样，有时候多达数十乃至上百个插槽的配件，咱们的CPU要插在主板上，内存也要插在主板上，主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了CPU和内存之间如何通讯问题，芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。总线则是实际数据传输的高速公路。所以 ，总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输的多快。

有了三大件，只要配上电源供电，计算机差很少能够跑起来了，可是如今还缺乏各种输入（Input）/ 输出（Output）设备，也就是咱们常说的 I/O 设备。若是你用的是本身的我的电脑，那显示器确定必不可少，只有有了显示器咱们才能看到计算机输出的各类图像、文字，这也就是所谓的输出设备。

显示器、鼠标、键盘和硬盘这些东西并非一台计算机必须的部分。其实只须要有 I/O 设备，能让咱们从计算机里输入和输出信息。

显卡

如今，使用图形界面操做系统的计算机，不管是 Windows、Mac OS 仍是 Linux，显卡都是必不可少的。

如今的主板都带了内置的显卡，若是你用计算机玩游戏，作图形渲染或者跑深度学习应用，你多半就须要买一张单独的显卡，插在主板上。显卡之因此特殊，是由于显卡里有除了 CPU 以外的另外一个“处理器”，也就是 GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），GPU 同样能够作各类“计算”的工做。

南桥

鼠标、键盘以及硬盘，这些都是插在主板上的，做为外部I/O设备，它们是经过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和CPU之间通讯。“南桥”芯片的名字很直观，一方面，它在主板上的位置，一般在主板的“南面”。另外一方面，它的做用就是做为“桥”，来链接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和 CPU 之间的通讯。

北桥

有了南桥，天然对应着也有“北桥”。之前主板上一般也有“北桥”芯片，用来做为“桥”，链接CPU和内存、显卡之间通讯。不过随着时间的变迁，如今主板上的“北桥”芯片的工做，已经被移到CPU内部，全部你在主板上，已经看不到北桥芯片了。

2.2 冯·诺依曼体系结构

手机里只有SD卡这样相似硬盘功能存储卡插槽，并无内存插槽，CPU插槽，由于手机尺寸缘由，手机制造商门选择把CPU、内存、网络通讯、乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，而后再嵌入到手机主板上。这种方式SoC，也就是System on a Chip（系统芯片）。

写智能手机上的 App，和写我的电脑的客户端应用彷佛没有什么差异，都是经过“高级语言”这样的编程语言撰写、编译以后，同样是把代码和数据加载到内存里来执行。这是为何呢？由于，不管是我的电脑、服务器、智能手机，仍是 Raspberry Pi 这样的微型卡片机，都遵循着同一个“计算机”的抽象概念。

计算机祖师爷之一冯·诺依曼（John von Neumann）提出的冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机。

存储程序计算机（可编程，可存储）

2.2.1 可编程计算机

不可编程

计算机是由各类门电路组合而成的，而后经过组装出一个固定的电路板，来完成一个特定的计算程序。一旦须要修改功能，就要从新组装电路。

由于程序在计算机硬件层面是“写死”的。

2.2.2 存储计算机

程序自己是存储在计算机内存里，能够经过加载不一样的程序来解决不一样的问题。

有“存储程序计算机”，天然也有不能存储程序的计算机。典型的就是早年的“Plugboard”这样的插线板式的计算机。整个计算机就是一个巨大的插线板，经过在板子上不一样的插头或者接口的位置插入线路，来实现不一样的功能。这样的计算机天然是“可编程”的，可是编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不一样的“程序”的时候，从新插板子，从新“编程”。

著名的Engima Machine就用到了 Plugboard 来进行“编程”

能够看到，不管是“不可编程”仍是“不可存储”，都会让使用计算机效率大大降低，而这个对效率的追求，也就是“存储程序计算机”由来。

2.2.3 第一份草案

冯祖师爷，基于当时在秘密开发的 EDVAC 写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一台计算机应该长什么样。这篇报告在历史上有个很特殊的简称，叫 First Draft，翻译成中文，其实就是《第一份草案》。这样，现代计算机的发展就从祖师爷写的一份草案开始了。

首先是一个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理寄存器（Processor Register）的处理单元，用来完成各类算术和逻辑运算，。由于它可以完成各类数据的处理或者计算工做，所以也有人把这个叫做数据通路（Datapath）或者运算器。

而后一个包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制单元（Control Unit/CU）），用来控制程序的流程，一般就是不一样条件下的分支和跳转。在如今的计算机里，上面的算术逻辑单元和这里的控制器单元，共同组成了咱们说的 CPU。

接着是用来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存，以及更大容量的外部存储，在过去，多是磁带、磁鼓这样的设备，如今一般就是硬盘。

最后就是各类输入和输出设备，以及对应的输入和输出机制。咱们如今不管是使用什么样的计算机，其实都是和输入输出设备在打交道。

任何一台计算机的任何一个部件均可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中，而全部的现代计算机也是基于这个基础架构来设计开发的。

而全部的计算机程序，也均可以抽象为从输入设备读取输入信息，经过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。而咱们全部撰写的不管高级仍是低级语言的程序，也都是基于这样一个抽象框架来进行运做的。

2.3 组成原理知识地图

三.性能

3.1 什么是性能？时间的倒数

衡量计算性能两个标准：响应时间和吞吐率。

响应时间

执行时间，想要提高响应时间这个性能指标，你能够理解为让计算机“跑得更快”。

图中是咱们实际系统里性能监测工具 NewRelic 中的响应时间，表明了每一个外部的 Web 请求的执行时间。

吞吐率

吞吐率或者带宽，想要提高这个指标，你能够理解为让计算机“搬得更多”。

服务器使用的网络带宽，一般就是一个吞吐率性能指标

吞吐率是指咱们在必定的时间范围内，到底能处理多少事情。

性能，定义成响应时间的倒数，就是：性能 = 1/ 响应时间。

这样一来，响应时间越短，性能的数值就越大。一样一个程序，在 Intel 最新的 CPU Coffee Lake 上，只须要 30s 就能运行完成，而在 5 年前 CPU Sandy Bridge 上，须要 1min 才能完成。

3.2 计算机的计时单位：CPU时钟

虽然时间是一个很天然的用来衡量性能的指标，可是用时间来衡量时，有两个问题。

时间来衡量

第一个就是时间不“准”。若是用你本身随便写的一个程序，来统计程序运行的时间，每一次统计结果不会彻底同样。有可能这一次花了 45ms，下一次变成了 53ms。

可是，计算机可能同时运行着好多个程序，CPU 实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里面，极可能 CPU 切换去运行别的程序了。并且，有些程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和硬盘把数据读出来，给到内存和 CPU。因此说，要想准确统计某个程序运行时间，进而去比较两个程序的实际性能，咱们得把这些时间给刨除掉。

time 命令。它会返回三个值，第一个是 real time，也就是咱们说的 Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程当中流逝掉的时间；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，在操做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。

$ time seq 1000000 | wc -l
1000000
real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys   0m0.016s

其次，即便咱们已经拿到了 CPU 时间，咱们也不必定能够直接“比较”出两个程序的性能差别。即便在同一台计算机上，CPU 可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候天然花的时间会多一些。

除了CPU以外，时间这个性能指标还受到主板，内存，这些其余相关硬件的影响。

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

在买电脑的时候，必定关注过 CPU 的主频。好比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，咱们能够先粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，能够执行的简单指令的数量是 2.8G 条。

若是想要更准确一点描述，这个 2.8GHz 就表明，咱们 CPU 的一个“钟表”可以识别出来的最小的时间间隔。就像咱们挂在墙上的挂钟，都是“滴答滴答”一秒一秒地走，因此经过墙上的挂钟可以识别出来的最小时间单位就是秒。

而在 CPU 内部，和咱们平时戴的电子石英表相似，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。咱们把晶振当成 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。在我这个 2.8GHz 的 CPU 上，这个时钟周期时间，就是 1/2.8G。咱们的 CPU，是按照这个“时钟”提示的时间来进行本身的操做。主频越高，意味着这个表走得越快，咱们的 CPU 也就“被逼”着走得越快。

超频

这说的其实就至关于把买回来的CPU内部的种给调快了，因而CPU计算跟着这个时钟的节奏，也就天然变快了。

固然这个快不是没有代价的，CPU 跑得越快，散热的压力也就越大。就和人同样，超过生理极限，CPU 就会崩溃了。

CPU 时钟周期数

最简单的提高性能方案，天然缩短时钟周期时间，也就是提高主频。换句话说，就是换一块好一点的 CPU。

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）

不一样的指令须要的 Cycles 是不一样的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，可是乘法须要的 Cycles 就比加法要多，天然也就慢。

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

优化

• 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。咱们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提升咱们计算机的主频。好比说，我最先使用的 80386 主频只有 33MHz，如今手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提高了将近 100 倍。
• 每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底须要多少 CPU Cycle。在后面讲解 CPU 结构的时候，咱们会看到，现代的 CPU 经过流水线技术（Pipeline），让一条指令须要的 CPU Cycle 尽量地少。所以，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
• 指令数，表明执行咱们的程序到底须要多少条指令、用哪些指令。这个不少时候就把挑战交给了编译器。一样的代码，编译成计算机指令时候，就有各类不一样的表示方式。

四.功耗

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

这么来看，若是要提高计算机的性能，咱们能够从指令数、CPI 以及 CPU 主频这三个地方入手。要搞定指令数或者 CPI，乍一看都不太容易。因而，研发 CPU 的硬件工程师们，从 80 年代开始，就挑上了 CPU 这个“软柿子”。在 CPU 上多放一点晶体管，不断提高 CPU 的时钟频率，这样就能让 CPU 变得更快，程序的执行时间就会缩短。

因而，从 1978 年 Intel 发布的 8086 CPU 开始，计算机的主频从 5MHz 开始，不断提高。1980 年代中期的 80386 可以跑到 40MHz，1989 年的 486 可以跑到 100MHz，直到 2000 年的奔腾 4 处理器，主频已经到达了 1.4GHz。而消费者也在这 20 年里养成了“看主频”买电脑的习惯。当时已经基本垄断了桌面 CPU 市场的 Intel 更是夸下了海口，表示奔腾 4 所使用的 CPU 结构能够作到 10GHz，很有一点“大力出奇迹”的意思。

4.1 功耗：CPU 的“人体极限”

奔腾 4 的 CPU 主频历来没有达到过 10GHz，最终它的主频上限定格在 3.8GHz。这还不是最糟的，更糟糕的事情是，你们发现，奔腾 4 的主频虽然高，可是它的实际性能却配不上一样的主频。想要用在笔记本上的奔腾 4 2.4GHz 处理器，其性能只和基于奔腾 3 架构的奔腾 M 1.6GHz 处理器差很少。

因而，这一次的“大力出悲剧”，不只让 Intel 的对手 AMD 得到了喘息之机，更是表明着“主频时代”的终结。后面几代 Intel CPU 主频不但没有上升，反而降低了。到现在，2019 年的最高配置 Intel i9 CPU，主频也只不过是 5GHz 而已。相较于 1978 年到 2000 年，这 20 年里 300 倍的主频提高，从 2000 年到如今的这 19 年，CPU 的主频大概提升了 3 倍。

功耗问题

咱们的 CPU，通常都被叫做超大规模集成电路（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”，来组合完成各类运算和功能。

想要计算得快，一方面，咱们要在 CPU 里，一样的面积里面，多放一些晶体管，也就是增长密度；另外一方面，咱们要让晶体管“打开”和“关闭”得更快一点，也就是提高主频。而这二者，都会增长功耗，带来耗电和散热的问题。

所以，在 CPU 里面，可以放下的晶体管数量和晶体管的“开关”频率也都是有限的。

功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量

“制程”工艺, 从 28nm 到 7nm，至关于晶体管自己变成了原来的 1/4 大小。

可是，功耗增长太多，就会致使 CPU 散热跟不上，这时，咱们就须要下降电压。这里有一点很是关键，在整个功耗的公式里面，功耗和电压的平方是成正比的。这意味着电压降低到原来的 1/5，整个的功耗会变成原来的 1/25。

4.2 并行优化，理解阿姆达尔定律

因而，从奔腾 4 开始，Intel 意识到经过提高主频比较“难”去实现性能提高，边开始推出 Core Duo 这样的多核 CPU，经过提高“吞吐率”而不是“响应时间”，来达到目的。

并行处理

• 须要进行的计算，自己能够分解成几个能够并行的任务。比如上面的乘法和加法计算，几我的能够同时进行，不会影响最后的结果。
• 须要可以分解好问题，并确保几我的的结果可以汇总到一块儿。
• 在“汇总”这个阶段，是没有办法并行进行的，仍是得顺序执行，一步一步来。

阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）。这个定律说的就是，对于一个程序进行优化以后，处理器并行运算以后效率提高的状况。

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

4.3 原则性的性能提高方法

• 加速大几率事件。
• 经过流水线提升性能，咱们的 CPU 其实就是一个“运算工厂”。咱们把 CPU 指令执行的过程进行拆分，细化运行，也是现代 CPU 在主频没有办法提高那么多的状况下，性能仍然能够获得提高的重要缘由之一。
• 经过预测提升性能。经过预先猜想下一步该干什么，而不是等上一步运行的结果，提早进行运算，也是让程序跑得更快一点的办法。

参考 我的Java学习园地

《深刻浅出计算机组成原理》