第一章 计算机概要与技术（上）

本章问题

1. 传统上计算机分为哪三类？后PC时代有哪两类计算机？
2. KB MB GB之上有哪些存储容量单位？
3. 计算机设计的八个伟大思想是？
4. Amdahl定律的公式为？
5. 高级语言经过什么过程变成汇编语言？汇编语言又经过什么变成机器语言？
6. 冯·诺依曼结构由哪五大基本部件组成？CPU主要有哪两大部件？还有少量的哪个部件？
7. 存储器层次中，最快贵小的、其次的、最慢廉大的是什么？分别采用什么技术？
8. Intel和苹果的处理器架构不同，是什么东西不同？
9. 成品率、芯片面积、产量如何影响集成电路（IC）的制造成本？

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计算机的分类

计算机的分类

1. 传统上计算机分为哪三类？后PC时代有哪两类计算机？ #card

• 前PC时代：PC，超级计算机，嵌入式计算机
• 后PC时代：个人移动设备（PMD），仓库规模计算机（WSC）

一开始的计算机，强调计算的本质功能，但随着发展，设备向着便携越做越小和规模化越做越大两个极端来发展。

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常见存储容量

2. KB MB GB之上有哪些存储容量单位？ #card
   

• 两种存储单位
  • 一个字节相当于8位 B = 8b
    • bit(b)
    • byte(B)

存储一般使用B，网速一般使用b。

• 100M宽带也就是12.5MB的实际速度。
  

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计算机结构中的伟大思想

3. 计算机设计的八个伟大思想是？ #card
   

两个设计原则

摩尔定律

单芯片上的集成度（单位面积硅片能容纳的晶体管数量）每18个月翻一番，提出于1965年。

芯片设计要依据完成时的工艺水平。这告诉我们，在设计一款芯片的时候，要能够考虑到在将来芯片的集成度会上升，要提前设计。

抽象

省略低层次的细节，提供简化的模型。本质上是一种分层的思想，我们通过接口控制整个系统。比如驾驶员开车，车提供的抽象是轮盘、踏板和换挡工具。你并不需要像汽修师一样完全了解发动机的构成，也能将车开起来。

就如计算机网络中一样
每一层通过接口向上层提供服务。
同时，任务也因分层而变得专业化

4个提高性能的方法

加速大概率事件

• 一台计算机绝大部分时间用来打游戏，改进游戏性能还是其他性能更能提高整体性能？

在后面也提到了，通过使用空间局限性和时间局限性，
利用缓存加载大概率将来会使用的数据，
能够提升读取数据的速度。

定量分析：Amdahl定律
4. Amdahl定律的公式为？ #card

图3 阿姆达尔定律：提升性能的障碍
性能不会随着CPU核心数量的增加而按相同比例提升。
性能的提升受到必须顺序执行的软件处理部分比例的限制。
阿姆达尔定律是提升多核微处理器性能的一个主要障碍。
图中假设并行处理中没有开销。
图中所显示的年份是基于英特尔计划和实际技术的设计规则。假设每一代设计规则的核心数量翻倍。

并行

• 同时发生，典型例子是多核处理器。
  • 多个CPU上同时运行多个进程。

就好比你有一家新闻公司，你不可能让所有人都是记者去采访，也不可能都是笔者在写文章。总得有人做这个的同时有人做那个。

流水线

类比工业中的流水线。这是CPU提升指令的使用效率的重要方法。
通过将一个统一的整体，根据功能的不同拆分为多个部分，让多个部分同时工作。从而提升资源的利用效率

预测

前提：

1. 预测失误后恢复的代价不高；
2. 预测有相当的准确率。

则可以猜测哪些操作会发生，并提前开始执行。在if-else中，如果我们执行了99次都是if操作，那么我们自然有理由认为下一次也是if操作，我们就会预测下一步是if操作。但是就好像是跑步一样，一直往前跑，如果有个弯道就需要即时减速修正方向，这样会减慢我们的速度。所以需要有相当的准确率才执行。

存储器层次与冗余

存储器层次

（见第三部分 软硬件接口）

冗余提高可靠性

物理器件的“备胎”，失效了就换上。

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软硬件基础

编程语言分类

• 机器语言
  • 计算机真正能听懂的语言，是一串01组合的数字。
• 汇编语言
  • 为了提升可读性，将特定的01组合作为汇编标签来使用。
• 高级语言
  • 语义更加明确。

5. 高级语言经过什么过程变成汇编语言？汇编语言又经过什么变成机器语言？ #card
   人类输入的高级语言通过编译为汇编语言，然后汇编为机器语言，最后通过下载器让计算机执行。

冯诺依曼结构

冯·诺依曼结构由哪五大基本部件组成？CPU主要有哪两大部件？还有少量的哪个部件？ #card
五大部件：

1. 输入设备：键盘，鼠标
2. 输出设备：显示器，打印机
3. 存储器
   1. 1. Cache（SRAM）
         • 快但贵，容量小（3MB）。
   2. 2. 内存（DRAM）
         • 只有放入内存的程序才能执行。
         • 比较快且贵，容量中等（8~16GB）。
   3. 3. 外存
         • 慢但便宜，容量大（基本都是512GB起步）。
4. 运算器（数据通路Data path)
5. 控制器

• 通过IO设备实现货物（信息）的输入输出，并且需要通过存储器来实现信息的存储。
• 通过控制器来读取（程序计数器PC）上的指令，并交给处理器来执行。
  
  

存储器存储结构

问题：CPU的主频在3.5GHz，内存条的主频2666MHz，通常是谁等待谁？ #card
为了解决CPU和内存条之间速度不对等的情况，提升硬件的利用效率，我们通过设立缓存这一快但容量小的存储结构，弥补内存与CPU之间的速度鸿沟。

解决方法：存储器层次（思想7）
顶端：快贵小 → 底端：慢廉大

• 第一级：Cache（和cash同音），采用SRAM技术。
• 第二级：主存/内存，采用DRAM技术。
  • SRAM、DRAM断电后数据很快消失，为易失性存储器。
• 第三级：辅存，过去常用磁盘，现逐渐被闪存代替。
  • 磁盘、闪存断电后不丢失数据，为非易失性存储器。

*Cache位于CPU中。在CPU中塞入Cache的好处是： #card

1. 物理距离近，和两大部件(运算器，控制器）通信迅速。
2. 只要Cache能把CPU即将要用的程序、数据从内存中复制过来，就能缓解速度矛盾。

CPU中只有控制器和运算器吗？ #card
还有Cache。

指令集体系结构

苹果的M1系列芯片相较于英特尔为什么性能高且续航持久？ #card
CPU的指令集体系结构（架构，ISA）根本上不一样，即可以执行的指令集合大不相同：

• 一个x86，为了和二三十年前的软件保持兼容，指令只增不减，越来越庞大繁杂。
• 一个ARM，设计思想主张精简，能效出色。

教材介绍一个和ARM设计思路相近的架构：MIPS。
MIPS和ARM都属于RISC架构（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机），而x86是典型的CISC架构（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）。
两位作者都是RISC技术的重要奠基人，对x86架构非常唾弃。

集成电路制造

• 晶体管：受电信号控制的简单开关。
• 集成电路（Integrated Circuit，IC）：由许多个晶体管组成的芯片。

成品率越高、产量越高、芯片面积越小，芯片的制造成本越低。