计算机组成 -- First Draft

2020-01-03

计算机组成 -- 提升性能

CPU的功耗12CPU time = 时钟周期时间（Clock Cycle Time） × CPU时钟周期数（CPU Cycles） = 时钟周期时间（Clock Cycle Time） × 指令数 × 每条指令的平均周期数（Cycles Per Instruction，CPI） 80年代开始，CPU硬件工程师主要着力提升CPU主频，到功耗是CPU的人体极限 CPU，一般被叫做超大规模集成电路，这些电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的 CPU计算，实际上是让晶体管里面的『开关』不断地去打开或关闭，来组合完成各种运算和功能如果要计算得快，有两个方向：增加密度（7nm制程）、提升主频，但这两者都会增加功耗，带来耗电和散热的问题密度 -> 晶体管数量主频 -> 开关频率如果功耗增加太多，会导致CPU散热跟不上，此时就需要降低电压（低压版CPU） 1功耗 ≈ 1/2 × 负载电容 × 电压的平方 × 开关频率 × 晶体管数量并行优化 – 阿姆达尔定律1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其它加速大概率事...

2020-01-10

计算机组成 -- 动态链接

静态链接把对应的不同文件内的代码段合并在一起，成为最后的可执行文件，可以做到代码在开发阶段的复用很多程序都需要通过装载器装载到内存里面，里面链接好的同样的功能代码，也都需要再装载一遍，再占一遍内存空间动态链接动态链接过程中，需要链接的不是存储在硬盘上的目标文件代码，而是加载到内存中的共享库（Shared Libraries）加载到内存中的共享库会被很多程序的指令调用 Windows的共享库文件是.dll（Dynamic-Link Libary）文件；Linux的共享库文件是.so（Shared Object）文件地址无关 + 相对地址要在程序运行时共享代码，这些机器码必须是地址无关的，即编译出来的共享库文件的指令代码，是地址无关码地址无关码（PIC）：Position-Independent Code，无论加载到哪个物理内存地址，都能够正常执行大部分函数库都能做到地址无关，因为都是接受特定的输入，进行确定的操作，然后给出返回结果对于所有动态链接共享库的程序来讲虽然共享库用的都是同一段物理内存地址但在不同的应用程序里，共享库所在的虚拟内存地址是不同的不应该...

2020-02-03

计算机组成 -- DMA

背景无论IO速度如何提升，比起CPU，还是太慢，SSD的IOPS可以达到2W，但CPU的主频有2GHz 对于IO操作，都是由CPU发出对应的指令，然后等待IO设备完成操作后返回，CPU有大量的时间都是在等待IO设备完成操作在很多时候，CPU的等待是没有太多的实际意义的对于IO设备的大量操作，其实都只是把内存里面的数据，传输到IO设备而已，此时CPU只是在傻等当传输的数据量比较大的时候，如大文件复制，如果所有数据都要经过CPU，实在有点太浪费时间因此发明了DMA技术，即直接内存访问（Direct Memory Access），来减少CPU等待的时间协处理器本质上，DMA技术就是在主板上一块独立的芯片在进行内存和IO设备的数据传输的时候，不再通过CPU来传输数据而直接通过DMA控制器（DMA Controller，DMAC），其实是一个协处理器（Co-Processor） DMAC最有价值的地方：当要传输的数据特别大，速度特别快，或者传输的数据特别小、速度特别慢的时候用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，如果都用CPU来搬运的话，肯定忙不过来，可以选择DMAC 当数据传...

2020-01-16

计算机组成 -- 建立数据通路

三种周期指令周期执行一条指令的过程 Fetch（取得指令）从PC寄存器里面找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中然后把PC寄存器自增，便于未来执行下一条指令 Decode（指令译码）根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中的哪一种指令具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址 Execute（执行指令）实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转重复上面步骤指令周期（Instruction Cycle）：Fetch -> Decode -> Execute 涉及的组件取指令的阶段，指令是放在存储器里的通过PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器（Control Unit）操作的指令的解码过程，也是由控制器进行的一旦到了执行指令阶段，R、I型指令都是由算术逻辑单元（ALU）操作进行算术操作、逻辑操作的R型指令进行数据传输、条件分支的I型指令如果是简单的无条件地址跳转，可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器机器周期 Mac...

2020-01-26

计算机组成 -- 高速缓存

缓存行1234567$ sysctl -a | grep -E 'cacheline|cachesize'hw.cachesize: 17179869184 32768 262144 6291456 0 0 0 0 0 0hw.cachelinesize: 64 # 64 Byteshw.l1icachesize: 32768 # 32 KBhw.l1dcachesize: 32768 # 32 KBhw.l2cachesize: 262144 # 256 KBhw.l3cachesize: 6291456 # 6 MB 1234567891011121314151617181920212223242526public static void f1() { int[] arr = new int[64 * 1024 * 1024]; long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < arr.length; i++) { arr[i] *= 3; ...

2020-01-04

计算机组成 -- 指令

CPU + 计算机指令硬件的角度 CPU是一个超大规模集成电路，通过电路实现了加法、乘法乃至各种各样的处理逻辑软件工程师的角度 CPU就是一个执行各种计算机指令的逻辑机器计算机指令是一门CPU能听懂的语言，也称为机器语言不同的CPU能够听懂的语言不太一样，两种CPU各自支持的语言，就是两组不同的计算机指令集计算机程序平时是存储在存储器中，这种程序指令存储在存储器里面的计算机，叫作存储程序型计算机代码 -> 机器码（编译 -> 汇编）1234567// test.cint main(){ int a = 1; int b = 2; a = a + b;} 编译（Compile）成汇编代码：把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）的程序汇编：针对汇编代码，用汇编器（Assembler）翻译成机器码（Machine Code）机器码由0和1组成的机器语言表示，一串串的16进制数字，就是CPU能够真正认识的计算机指令汇编代码 + 机器码12345678910$ gcc --help-c ...

参考资料