再看計算機體系基礎

CPU基礎

CPU即處理器，是計算機中控制數據操控的電路。它主要由三部分構成：算術/邏輯單元、控制單元和寄存器單元。它們的做用分別爲執行運算、協調機器活動以及臨時存儲。

CPU與主存

CPU中的寄存器分爲通用寄存器和專用寄存器，通用寄存器用於臨時存放CPU正在使用的數據，而專用寄存器用於CPU專有用途，好比指令寄存器和程序計數器。CPU與主存的經過總線進行通訊，CPU經過控制單元可以操做主存中的數據。

執行兩個數值相加的過程大體爲：從主存讀取第一個值放到寄存器1->從主存讀取第二個值放到寄存器2->兩個寄存器保存的值做爲輸入送到加法電路->將加法結果保存到寄存器3->控制單元將結果放到主存中。

程序等同數據

原始的計算機並不像現代計算機同樣將程序保存起來，之前的人們只對數據進行保存，而設備執行的步驟做爲計算機的一部分而被內置在控制單元中。這樣就很不靈活，最多隻能經過從新佈線來提高靈活性。將程序與數據視做相同本質是很大的思想突破，由於人們一直認爲它們是不一樣的事物，數據應該存放在主存中而程序應該屬於CPU的一部分。

將程序做爲數據同樣保存在主存中大有好處，控制單元可以從主存讀取程序，而後對它們解碼並執行。當咱們要修改執行程序時能夠在計算機的主存中修改，而沒必要對CPU更改或從新佈線。

指令系統

程序包含了大量的機器指令，CPU對這些指令進行解碼並執行。CPU分爲兩類體系：精簡指令集計算機（RISC）和複雜指令集計算機(CISC)。RISC提供了最小的機器指令集，計算機效率高速度快且制形成本低。而CISC提供了強大豐富的指令集，能更方便實現複雜的軟件。

機器指令分爲三類：數據傳輸類、算術/邏輯類與控制類。

數據傳輸類指令用於將數據從一個地方移動到另外一個地方。好比將主存單元的內容加載到寄存器的LOAD指令，反之將寄存器的內容保存到主存的STORE指令。此外，CPU與其它設備（鍵盤、鼠標、打印機、顯示器、磁盤等）進行通訊的指令被稱爲I/O指令。

算術/邏輯類指令用於讓控制單元請求在算術/邏輯單元內執行運算。這些運算包括算術、與、或、異或和位移等。

控制類指令用於指導程序執行。好比轉移（JUMP）指令，它包括無條件轉移和條件轉移。

指令寄存器與程序計數器

CPU將主存的指令加載進來解碼並執行，其中涉及兩個重要寄存器：指令寄存器與程序計數器。指令寄存器用於存儲正在執行的指令，而程序計數器則保持下一個待執行的指令地址。

CPU向主存請求加載程序計數器指定的地址的指令，將其存放到指令寄存器中，加載後將程序計數器的值加2（假如指令長度爲2個字節）。

指令如何執行

好比咱們要計算11+22，假設過程爲：將主存地址爲00的內容加載到寄存器1中->將主存地址爲01的內容加載到寄存器2中->將寄存器1和寄存器2的數據相加並將結果保存到寄存器3->將寄存器3的結果存儲到主存地址爲02的位置->中止。

這個過程CPU涉及到四個操做：加載(load)、存儲(store)、加法(add)和中止(halt)。能夠對這些操做進行編碼，好比能夠分別用一、二、三、0000表示。

1100
1201
3312
2302
0000
複製代碼

控制器

CPU與其餘設備的通訊通常經過控制器來實現，控制器可能在主板上，也可能以電路板形式插到主板。控制器自己能夠當作是小型計算機，也有本身簡單的CPU。之前每鏈接一種外設都須要購買對應的控制器，而如今隨着通用串行總線（USB）成爲通用的標準，不少外設均可以直接用USB控制器做爲通訊接口。每一個控制器都鏈接在總線上，經過總線進行通訊。

每一個控制器可能被設計成對應一組地址引用，主存則會忽略這些地址引用。當CPU往這些地址上發送消息時，實際上是直接穿過主存而到控制器的，操做的是控制器而非主存。這種模式稱爲存儲映射輸入/輸出。此外，這種模式的另一種實現能夠在機器指令中提供特定的操做碼，專門用於與控制器通訊，這樣的操做碼稱爲I/O指令。

直接存儲器存取

直接存儲器存取（DMA）是一種提高外設通訊性能的措施，CPU並不是老是須要使用總線，在總線空閒的時間裏控制器可以充分利用起來。由於控制器都與總線相鏈接，而控制器又有執行指令的能力，因此能夠將CPU的一些工做分給控制器來完成。好比在磁盤中檢索數據時，CPU能夠將告知控制器，而後由控制器找到數據並放到主存上，期間CPU能夠去執行其餘任務。這樣能節省CPU資源。不過DMA會使總線通訊更加複雜，並且會致使總線競爭問題。總線瓶頸源自馮諾依曼體系結構。

專一於人工智能、讀書與感想、聊聊數學、計算機科學、分佈式、機器學習、深度學習、天然語言處理、算法與數據結構、Java深度、Tomcat內核等。