漫談計算機體系

人類爲何要發明計算機？一直以來，人類都有愛偷懶的習慣，而正是因爲這個緣由，促使了人類發明了計算機，從而提升生產力，那麼人類有了更多空閒時間去娛樂了~~

馮.諾依曼結構的工做原理

馮諾依曼結構的計算機由五大組成部分，分別是計算器、控制器、存儲器（內存）、輸入設備和輸出設備，而計算機和控制器組成CPU（center process unit，中央處理單元）。馮.諾依曼結構的特色就是數據和指令以二進制形式，不加區別的存放在存儲器中。以計算兩個數相加爲例，首先將相關代碼和數據讀入到內存中，編譯器將相關代碼編譯成彙編代碼。數據200和數據400分別存放在地址爲1000、1004的地方，MOVE [1000] EAX 表示將地址是1000的內容放到寄存器EAX中，MOVE [1004] EBX 表示將地址是1004的內容放到寄存器EBX中，ADD EAX EBX 表示將EAX和EBX的內容相加，並將結果存放到EBX寄存器中。咱們發現，簡單的數據相加在彙編層面卻對應着3條指令，若是更加複雜的數據運算就須要更加複雜的指令了。

計算機各個部件的鏈接方式

CPU經過I/O橋和內存相連，I/O橋和IO總線相連，IO總線掛載着USB控制器、圖形控制器和磁盤控制器。 總線結構（不是全部的設備都是兩兩相連，而是經過總線結構）

• SOA也是總線結構，服務之間並非兩兩相連的

• 代碼存放在磁盤中，若是要運行代碼，首先須要將磁盤中的代碼放到內存中，而後CPU找到這段程序的第一個地址，例如找到main方法的地址

I/O橋是對南橋和北橋的抽象

• 北橋：鏈接的是快速設備，例如鏈接的是內存

• 南橋：鏈接的是慢速設備

  

指令和流水線

常見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，以下圖所示，其中，二地址指令所佔用的空間比三地址指令要少，x86系列的處理器就是採用二地址形式的；一地址指令一般被用做累加器；零地址指令地址比較緊湊，可是要完成一件事情，通常會比二地址或三地址指令須要更多的指令，例如

iconst_1
iconst_2
iadd
istore_0
複製代碼

iadd（表示整形加法）指令並無任何參數。連源地址都沒有指定，零地址指令有什麼做用？零地址意味着源和目標都是隱含參數，其實現依賴於一種常見的數據結構--棧。

指令的執行是分步驟的（取指、譯碼、執行等），也正是這個緣由，它對應着不一樣的部件，這些部件咱們要充分的利用起來，因此纔有了流水線這個概念。若是不採用流水線，那麼CPU的速度會變得很慢，譬如：當取值部件正在取值時，譯碼、執行部件是空閒的。因此，當一條指令在譯碼的時候，另外一條指令從內存中取指令，這樣作，取值部件和譯碼部件均可以利用起來了。

速度不匹配的問題---計算機的核心問題

下面這張圖描述的是CPU、內存、硬盤和網絡之間的速度差別，其中，CPU的速度是1s，主存速度是6min，硬盤速度是1~12個月，而網絡速度則達到19年，咱們發現這些設備的速度差異巨大，內存比CPU慢幾百倍，硬盤比CPU慢幾十萬倍，網絡比CPU慢千萬倍，這樣一來，CPU能坐等內存或硬盤慢吞吞的幹活嗎？或者說，有什麼方法解決這種局面嗎？

如何解決速度不匹配的問題

1. 提高硬盤等設備的速度，和CPU匹配（現階段不可能）

2. 認可侷限，但充分壓榨CPU的能力，讓CPU"忙死"

• 同步 -> 異步 異步經典的例子就是DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問），CPU發起一個硬盤讀的操做以後，不等待硬盤完成，馬上去幹別的事情，由DMA控制器來負責把數據從硬盤讀到內存，完成後通知CPU。

• 順序 -> 併發 順序就是每一個程序按序執行；併發就是在單個CPU上經過時間片切換方式實現執行不一樣指令，因爲時間片很短，人類是感受不出來的，所以咱們感受多個程序是並行執行的；而並行是在多個CPU上實現多個程序同時執行。

  

• 增長中間層 局部性原理分爲時間局部性原理和空間局部性原理，時間局部性：若是程序中的某條指令一旦執行，則不久以後該指令可能再次被執行；若是某條數據被訪問，則不就以後該數據可能被再次訪問。空間局部性是指一旦程序訪問了某個存儲單元，則不久以後，其附近的存儲單元也將被訪問。 針對CPU而言，增長中間層就是增長緩存。當CPU要讀取一個數據時，首先從CPU緩存中查找，找到就當即讀取並送給CPU；沒有找到，就從速率相對較慢的內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，可使得之後對整塊數據的讀取都從緩存中進行，沒必要再調用內存。

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