计算机组成原理-基本组成

本文根据徐文浩老师的计算机组成原理记录:计算机组成原理

计算机组成原理-基本组成
1 计算机组成原理知识地图
2 计算机的基本硬件组成
- 2.1 CPU: 中央处理器（Central Processing Unit）
- 2.2 内存: 内存（Memory）
- 2.3 主板: 主板（Motherboard）
- 2.4 I/O设备
- 2.5 特殊的设备
3 冯·诺依曼体系结构
- 3.1 First Draft 计算机组成部分
- 3.2 图灵与冯·诺依曼体系结构
4 计算机性能
- 4.1 响应时间
- 4.2 吞吐率
- 4.3 CPU 主频
5 功耗
- 5.1 阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）
- 5.2 原则性的性能提升方法
附录1: 系统芯片

1 计算机组成原理知识地图

错误描述: 在硬件和软件之间需要一座桥梁，而“计算机组成原理”就扮演了这样一个角色，它既隔离了软件和硬件，也提供了让软件无需关心硬件，就能直接操作硬件的接口。这里的计算机组成原理改成操作系统是不是更好，而且感觉这句话说的就是操作系统呀

正确描述: 其实操作系统也是一个“软件”，而开发操作系统，其实只需要关注到“组成原理”或者说“体系结构”就好了，而不需要真的了解硬件，比如电路层面的实现。操作系统，其实是在“组成原理”所讲到的“指令集”上的一层封装。

2 计算机的基本硬件组成

2.1 CPU: 中央处理器（Central Processing Unit）

计算机的所有“计算”都是由 CPU 来进行的

2.2 内存: 内存（Memory）

撰写的程序、打开的浏览器、运行的游戏，都要加载到内存里才能运行; 程序读取的数据、计算得到的结果，也都要放在内存里

2.3 主板: 主板（Motherboard）

存放在内存里的程序和数据，需要被 CPU 读取，CPU 计算完之后，还要把数据写回到内存。然而 CPU 不能直接插到内存上，反之亦然。于是才有了主板

主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题。芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。总线则是实际数据传输的高速公路。因此，总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。

2.4 I/O设备

外部 I/O 设备，它们是通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和 CPU 之间的通信的。“南桥”芯片的名字很直观，一方面，它在主板上的位置，通常在主板的“南面”。另一方面，它的作用就是作为“桥”，来连接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和 CPU 之间的通信。

以前的主板上通常也有“北桥”芯片，用来作为“桥”，连接 CPU 和内存、显卡之间的通信。不过，随着时间的变迁，现在的主板上的“北桥”芯片的工作，已经被移到了 CPU 的内部，所以你在主板上，已经看不到北桥芯片了。

2.5 特殊的设备

显卡（Graphics Card）。显卡之所以特殊，是因为显卡里有除了 CPU 之外的另一个“处理器”，也就是GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），GPU 一样可以做各种“计算”的工作。

3 冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼（John von Neumann）提出的冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机。存储程序计算机其实暗含了两个概念，一个是“可编程”计算机，一个是“存储”计算机。

计算机是由各种门电路组合而成的，然后通过组装出一个固定的电路版，来完成一个特定的计算程序。一旦需要修改功能，就要重新组装电路。这样的话，计算机就是“不可编程”的，因为程序在计算机硬件层面是“写死”的。最常见的就是老式计算器，电路板设好了加减乘除，做不了任何计算逻辑固定之外的事情。

“存储”计算机。程序本身是存储在计算机的内存里，可以通过加载不同的程序来解决不同的问题。有“存储程序计算机”，自然也有不能存储程序的计算机。典型的就是早年的“Plugboard”这样的插线板式的计算机。整个计算机就是一个巨大的插线板，通过在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路，来实现不同的功能。这样的计算机自然是“可编程”的，但是编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。

![冯·诺依曼体系结构示意图][冯·诺依曼体系结构示意图]

任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中，而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的。

所有的计算机程序，都可以抽象为从输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。目前所有的无论高级还是低级语言的程序，也都是基于这样一个抽象框架来进行运作的。

3.1 First Draft 计算机组成部分

首先是一个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）的处理器单元（Processing Unit），用来完成各种算术和逻辑运算。因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作，因此也有人把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。

然后是一个包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元（Control Unit/CU），用来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。在现在的计算机里，上面的算术逻辑单元和这里的控制器单元，共同组成了我们说的 CPU。

接着是用来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更大容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁鼓这样的设备，现在通常就是硬盘。

最后就是各种输入和输出设备

3.2 图灵与冯·诺依曼体系结构

两者有交叉但是不同，根据了解整理如下：

图灵机是一种思想模型（计算机的基本理论基础），是一种有穷的、构造性的问题的问题求解思路，图灵认为凡是能用算法解决的问题也一定能用图灵机解决；

冯诺依曼提出了“存储程序”的计算机设计思想，并“参照”图灵模型设计了历史上第一台电子计算机，即冯诺依曼机

ps：有看到一种有争议说法：冯诺依曼机是图灵机的实现，感觉这有点过于片面，所以上述姑且改为参照

4 计算机性能

4.1 响应时间

响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）。想要提升响应时间这个性能指标，你可以理解为让计算机“跑得更快”。

4.2 吞吐率

吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth），想要提升这个指标，你可以理解为让计算机“搬得更多”。

4.3 CPU 主频

CPU 主频即 CPU 的时钟频率, 2.8GHz: 可以粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，可以执行的简单指令的数量是 2.8G 条

在 CPU 内部，和我们平时戴的电子石英表类似，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。我们把晶振当成 CPU 内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间

性能 = 1/ 响应时间

运行一下 time 命令。它会返回三个值，第一个是real time，也就是我们说的 Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程中流逝掉的时间；第二个是user time，也就是 CPU 在运行你的程序，在用户态运行指令的时间；第三个是sys time，是 CPU 在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间。而程序实际花费的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 加上 sys time

$ time seq 1000000 | wc -l1000000
real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys  0m0.016s

实际上程序用了 0.101s，但是 CPU time 只有 0.031+0.016 = 0.047s。运行程序的时间里，只有不到一半是实际花在这个程序上的

“并行原因”的运行的。虽然 seq 和 wc 这两个命令都是单线程运行的，但是这两个命令在多核 cpu 运行的情况下，会分别分配到两个不同的 cpu，于是 user 和 sys 的时间都是两个 cpu 上运行的时间之和，就可能超过 real 的时间。可以这样来快速验证

运行 time seq 100000000 | wc -l & 让这个命令多跑一会儿，并且在后台运行。然后利用 top 命令看不同进程的 cpu 占用情况，你会在 top 的前几行里看到 seq 和 wc 的 cpu 占用都接近 100，实际是各被分配到了一个不同的 cpu 执行

即使拿到了 CPU 时间，我们也不一定可以直接“比较”出两个程序的性能差异。即使在同一台计算机上，CPU 可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些

除了 CPU 之外，时间这个性能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响。所以，我们需要对“时间”这个我们可以感知的指标进行拆解，把程序的 CPU 执行时间变成 CPU 时钟周期数（CPU Cycles）和时钟周期时间（Clock Cycle）的乘积

程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间

简单的提升性能方案，自然缩短时钟周期时间，也就是提升主频。换句话说，就是换一块好一点的 CPU。不过，这个是软件工程师控制不了的事情，所以我们就把目光挪到了乘法的另一个因子——CPU 时钟周期数上。如果能够减少程序需要的 CPU 时钟周期数量，一样能够提升程序性能

对于 CPU 时钟周期数，我们可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。在这样拆分了之后，程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。比如说，我最早使用的 80386 主频只有 33MHz，现在手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提升了将近 100 倍
每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。在后面讲解 CPU 结构的时候，我们会看到，现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环
指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式

5 功耗

CPU，一般都被叫作超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）。这些电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。CPU 在计算，其实就是让晶体管里面的“开关”不断地去“打开”和“关闭”，来组合完成各种运算和功能

想要计算得快，一方面，我们要在 CPU 里，同样的面积里面，多放一些晶体管，也就是增加密度；另一方面，要让晶体管“打开”和“关闭”得更快一点，也就是提升主频。而这两者，都会增加功耗，带来耗电和散热的问题

可以把一个计算机 CPU 想象成一个巨大的工厂，里面有很多工人，相当于 CPU 上面的晶体管，互相之间协同工作

为了工作得快一点，我们要在工厂里多塞一点人。你可能会问，为什么不把工厂造得大一点呢？这是因为，人和人之间如果离得远了，互相之间走过去需要花的时间就会变长，这也会导致性能下降。这就好像如果 CPU 的面积大，晶体管之间的距离变大，电信号传输的时间就会变长，运算速度自然就慢了

除了多塞一点人，还希望每个人的动作都快一点，这样同样的时间里就可以多干一点活儿了。这就相当于提升 CPU 主频，但是动作快，每个人就要出汗散热。要是太热了，对工厂里面的人来说会中暑生病，对 CPU 来说就会崩溃出错

为了要提升性能，我们需要不断地增加晶体管数量。同样的面积下，要多放一点晶体管，就要把晶体管造得小一点。这个就是平时所说的提升“制程”。从 28nm 到 7nm，相当于晶体管本身变成了原来的 1/4 大小。这个就相当于在工厂里，同样的活儿，要找瘦小一点的工人，这样一个工厂里面就可以多一些人。我们还要提升主频，让开关的频率变快，也就是要找手脚更快的工人

在 CPU 里面，能够放下的晶体管数量和晶体管的“开关”频率也都是有限的。一个 CPU 的功率，可以用这样一个公式来表示：功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量

5.1 阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）

这个定律说的就是，对于一个程序进行优化之后，处理器并行运算之后效率提升的情况。具体可以用这样一个公式来表示：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

需要进行的计算，本身可以分解成几个可以并行的任务。好比乘法和加法计算，几个人可以同时进行，不会影响最后的结果
需要能够分解好问题，并确保几个人的结果能够汇总到一起
在“汇总”这个阶段，是没有办法并行进行的，还是得顺序执行，一步一步来

5.2 原则性的性能提升方法

加速大概率事件。最典型的就是，过去几年流行的深度学习，整个计算过程中，99% 都是向量和矩阵计算，于是，工程师们通过用 GPU 替代 CPU，大幅度提升了深度学习的模型训练过程。本来一个 CPU 需要跑几小时甚至几天的程序，GPU 只需要几分钟就好了。Google 更是不满足于 GPU 的性能，进一步地推出了 TPU
通过流水线提高性能。现代的工厂里的生产线叫“流水线”。可以把装配 iPhone 这样的任务拆分成一个个细分的任务，让每个人都只需要处理一道工序，最大化整个工厂的生产效率。类似的，CPU 其实就是一个“运算工厂”。把 CPU 指令执行的过程进行拆分，细化运行，也是现代 CPU 在主频没有办法提升那么多的情况下，性能仍然可以得到提升的重要原因之一
通过预测提高性能。通过预先猜测下一步该干什么，而不是等上一步运行的结果，提前进行运算，也是让程序跑得更快一点的办法

附录1: 系统芯片

我们手机里只有 SD 卡（Secure Digital Memory Card）这样类似硬盘功能的存储卡插槽，并没有内存插槽、CPU 插槽这些东西。没错，因为手机尺寸的原因，手机制造商们选择把 CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上。这种方式叫SoC，也就是 System on a Chip（系统芯片）。