漫谈计算机体系

人类为何要发明计算机？一直以来，人类都有爱偷懒的习惯，而正是因为这个缘由，促使了人类发明了计算机，从而提升生产力，那么人类有了更多空闲时间去娱乐了~~

冯.诺依曼结构的工做原理

冯诺依曼结构的计算机由五大组成部分，分别是计算器、控制器、存储器（内存）、输入设备和输出设备，而计算机和控制器组成CPU（center process unit，中央处理单元）。冯.诺依曼结构的特色就是数据和指令以二进制形式，不加区别的存放在存储器中。以计算两个数相加为例，首先将相关代码和数据读入到内存中，编译器将相关代码编译成汇编代码。数据200和数据400分别存放在地址为1000、1004的地方，MOVE [1000] EAX 表示将地址是1000的内容放到寄存器EAX中，MOVE [1004] EBX 表示将地址是1004的内容放到寄存器EBX中，ADD EAX EBX 表示将EAX和EBX的内容相加，并将结果存放到EBX寄存器中。咱们发现，简单的数据相加在汇编层面却对应着3条指令，若是更加复杂的数据运算就须要更加复杂的指令了。

计算机各个部件的链接方式

CPU经过I/O桥和内存相连，I/O桥和IO总线相连，IO总线挂载着USB控制器、图形控制器和磁盘控制器。 总线结构（不是全部的设备都是两两相连，而是经过总线结构）

• SOA也是总线结构，服务之间并非两两相连的

• 代码存放在磁盘中，若是要运行代码，首先须要将磁盘中的代码放到内存中，而后CPU找到这段程序的第一个地址，例如找到main方法的地址

I/O桥是对南桥和北桥的抽象

• 北桥：链接的是快速设备，例如链接的是内存

• 南桥：链接的是慢速设备

  

指令和流水线

常见的指令格式有三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令，以下图所示，其中，二地址指令所占用的空间比三地址指令要少，x86系列的处理器就是采用二地址形式的；一地址指令一般被用做累加器；零地址指令地址比较紧凑，可是要完成一件事情，通常会比二地址或三地址指令须要更多的指令，例如

iconst_1
iconst_2
iadd
istore_0
复制代码

iadd（表示整形加法）指令并无任何参数。连源地址都没有指定，零地址指令有什么做用？零地址意味着源和目标都是隐含参数，其实现依赖于一种常见的数据结构--栈。

指令的执行是分步骤的（取指、译码、执行等），也正是这个缘由，它对应着不一样的部件，这些部件咱们要充分的利用起来，因此才有了流水线这个概念。若是不采用流水线，那么CPU的速度会变得很慢，譬如：当取值部件正在取值时，译码、执行部件是空闲的。因此，当一条指令在译码的时候，另外一条指令从内存中取指令，这样作，取值部件和译码部件均可以利用起来了。

速度不匹配的问题---计算机的核心问题

下面这张图描述的是CPU、内存、硬盘和网络之间的速度差别，其中，CPU的速度是1s，主存速度是6min，硬盘速度是1~12个月，而网络速度则达到19年，咱们发现这些设备的速度差异巨大，内存比CPU慢几百倍，硬盘比CPU慢几十万倍，网络比CPU慢千万倍，这样一来，CPU能坐等内存或硬盘慢吞吞的干活吗？或者说，有什么方法解决这种局面吗？

如何解决速度不匹配的问题

1. 提高硬盘等设备的速度，和CPU匹配（现阶段不可能）

2. 认可局限，但充分压榨CPU的能力，让CPU"忙死"

• 同步 -> 异步 异步经典的例子就是DMA（Direct Memory Access，直接内存访问），CPU发起一个硬盘读的操做以后，不等待硬盘完成，马上去干别的事情，由DMA控制器来负责把数据从硬盘读到内存，完成后通知CPU。

• 顺序 -> 并发 顺序就是每一个程序按序执行；并发就是在单个CPU上经过时间片切换方式实现执行不一样指令，因为时间片很短，人类是感受不出来的，所以咱们感受多个程序是并行执行的；而并行是在多个CPU上实现多个程序同时执行。

  

• 增长中间层 局部性原理分为时间局部性原理和空间局部性原理，时间局部性：若是程序中的某条指令一旦执行，则不久以后该指令可能再次被执行；若是某条数据被访问，则不就以后该数据可能被再次访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久以后，其附近的存储单元也将被访问。 针对CPU而言，增长中间层就是增长缓存。当CPU要读取一个数据时，首先从CPU缓存中查找，找到就当即读取并送给CPU；没有找到，就从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可使得之后对整块数据的读取都从缓存中进行，没必要再调用内存。

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