【计算机科学速成课】[40集全/文字版]

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随着本系列进展，我们知道计算机进步巨大，从1秒1次运算，到现在有千赫甚至兆赫的CPU。你现在看视频的设备八成也有GHz速度，1秒十亿条指令，这是很大的计算量！

早期计算机的提速方式是减少晶体管的切换时间，晶体管组成了逻辑门，ALU以及前几集的其他组件。但这种提速方法最终会碰到瓶颈，所以处理器厂商，发明各种新技术来提升性能，不但让简单指令运行更快。也让它能进行更复杂的运算，上集我们写了个做除法的程序，给CPU执行，方法是做一连串减法，比如16除4会变成4，碰到0或负数才停下，但这种方法要多个时钟周期，很低效。

所以现代CPU直接在硬件层面设计了除法可以直接给ALU除法指令，这让ALU更大也更复杂一些，但也更厉害复杂度vs速度的平衡在计算机发展史上经常出现。举例，现代处理器有专门电路来处理图形操作解码压缩视频加密文档等等，如果用标准操作来实现，要很多个时钟周期。你可能听过某些处理器有MMX、3DNOW、SSE，它们有额外电路做更复杂的操作，用于游戏和加密等场景。

指令不断增加，人们一旦习惯了它的便利就很难删掉，所以为了兼容旧指令集，指令数量越来越多，英特尔4004，第一个集成CPU，有46条指令。足够做一台能用的计算机。

但现代处理器有上千条指令，有各种巧妙复杂的电路，超高的时钟速度带来另一个问题，如何快速传递数据给CPU。就像有强大的蒸汽机但无法快速加煤，RAM成了瓶颈，RAM是CPU之外的独立组件，意味着数据要用线来传递，叫"总线"。总线可能只有几厘米，别忘了电信号的传输接近光速，但CPU每秒可以处理上亿条指令，很小的延迟也会造成问题。

RAM还需要时间找地址取数据，配置，输出数据，一条"从内存读数据"的指令可能要多个时钟周期，CPU空等数据。解决延迟的方法之一是给CPU加一点RAM叫"缓存"，因为处理器里空间不大，所以缓存一般只有KB或MB，而RAM都是GB起步。缓存提高了速度，CPU从RAM拿数据时RAM不用传一个，可以传一批，虽然花的时间久一点，但数据可以存在缓存。

这很实用，因为数据常常是一个个按顺序处理，举个例子，算餐厅的当日收入，先取RAM地址100的交易额，RAM与其只给1个值，直接给一批值，把地址100到200都复制到缓存。当处理器要下一个交易额时，地址101，缓存会说："我已经有了，现在就给你"。不用去RAM取数据，因为缓存离CPU近一个时钟周期就能给数据CPU不用空等！比反复去RAM拿数据快得多。如果想要的数据已经在缓存，叫缓存命中，如果想要的数据不在缓存，叫缓存未命中。

缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算，继续餐馆的例子，假设CPU算完了一天的销售额，想把结果存到地址150，就像之前，数据不是直接存到RAM，而是存在缓存，这样不但存起来快一些。如果还要接着算，取值也快一些，但这样带来了一个有趣的问题，缓存和RAM不一致了。这种不一致必须记录下来，之后要同步，因此缓存里每块空间有一个特殊标记，叫"脏位"。

这可能是计算机科学家取的最贴切的名字，同步一般发生在当缓存满了而CPU又要缓存时，在清理缓存腾出空间之前，会先检查"脏位"。如果是"脏"的在加载新内容之前会把数据写回RAM，另一种提升性能的方法叫"指令流水线"。想象下你要洗一整个酒店的床单，但只有1个洗衣机1个干燥机，选择1：按顺序来，放洗衣机等30分钟洗完，然后拿出湿床单，放进干燥机等30分钟烘干，这样1小时洗一批。

另外一说：如果你有30分钟就能烘干的干燥机，请留言告诉我是什么牌子，我的至少要90分钟。即使有这样的神奇干燥机我们可以用"并行处理"进一步提高效率，就像之前，先放一批床单到洗衣机，等30分钟洗完。然后把湿床单放进干燥机，但这次，与其干等30分钟烘干，可以放另一批进洗衣机，让两台机器同时工作，30分钟后，一批床单完成另一批完成一半，另一批准备开始，效率x2！

处理器也可以这样设计，第7集，我们演示了CPU按序处理，取指→解码→执行不断重复。这种设计，三个时钟周期执行1条指令。但因为每个阶段用的是CPU的不同部分，意味着可以并行处理！"执行"一个指令时，同时"解码"下一个指令，"读取"下下个指令，不同任务重叠进行，同时用上CPU里所有部分，这样的流水线每个时钟周期执行1个指令，吞吐量x3。和缓存一样，这也会带来一些问题，第一个问题是指令之间的依赖关系。

举个例子，你在读某个数据而正在执行的指令会改这个数据，也就是说拿的是旧数据，因此流水线处理器要先弄清数据依赖性，必要时停止流水线，避免出问题。高端CPU，比如笔记本和手机里那种，会更进一步，动态排序有依赖关系的指令，最小化流水线的停工时间，这叫"乱序执行"

和你猜的一样，这种电路非常复杂，但因为非常高效，几乎所有现代处理器都有流水线，第二个问题是"条件跳转"，比如上集的JUMPNEGATIVE，这些指令会改变程序的执行流，简单的流水线处理器，看到JUMP指令会停一会儿等待条件值确定下来，一旦JUMP的结果出了，处理器就继续流水线。因为空等会造成延迟，所以高端处理器会用一些技巧，可以把JUMP想成是"岔路口"。高端CPU会猜哪条路的可能性大一些，然后提前把指令放进流水线，这叫"推测执行"。当JUMP的结果出了，如果CPU猜对了，流水线已经塞满正确指令，可以马上运行。如果CPU猜错了，就要清空流水线，就像走错路掉头。让GPS不要再！叫！了！

为了尽可能减少清空流水线的次数，CPU厂商开发了复杂的方法，来猜测哪条分支更有可能，叫"分支预测"，现代CPU的正确率超过90%，理想情况下，流水线一个时钟周期完成1个指令，然后"超标量处理器"出现了，一个时钟周期完成多个指令。即便有流水线设计，在指令执行阶段，处理器里有些区域还是可能会空闲。比如，执行一个"从内存取值"指令期间，ALU会闲置

所以一次性处理多条指令（取指令+解码）会更好，如果多条指令要ALU的不同部分，就多条同时执行。我们可以再进一步，加多几个相同的电路执行出现频次很高的指令。举例，很多CPU有四个八个甚至更多完全相同的ALU，可以同时执行多个数学运算，好了，目前说过的方法，都是优化1个指令流的吞吐量。另一个提升性能的方法是同时运行多个指令流，用多核处理器

你应该听过双核或四核处理器，意思是一个CPU芯片里，有多个独立处理单元。很像是有多个独立CPU，但因为它们整合紧密，可以共享一些资源，比如缓存。使得多核可以合作运算，但多核不够时，可以用多个CPU。高端计算机，比如现在给你传文章的CSDN服务器，需要更多马力，让上百人能同时流畅阅读。

2个或4个CPU是最常见的，但有时人们有更高的性能要求，所以造了超级计算机！如果要做怪兽级运算，比如模拟宇宙形成，你需要强大的计算能力。给普通台式机加几个CPU没什么用，你需要很多处理器！不…不…还要更多，更多！

截止至视频发布，世上最快的计算机在，中国无锡的国家超算中心，神威·太湖之光有40960个CPU，每个CPU有256个核心，总共超过1千万个核心，每个核心的频率是1.45GHz，每秒可以进行93亿亿次浮点数运算，也叫每秒浮点运算次数(FLOPS)相信我这个速度很可怕，没人试过跑最高画质的《孤岛危机》但我估计没问题。

长话短说，这些年处理器不但大大提高了速度，而且也变得更复杂，用各种技巧，榨干每个时钟周期做尽可能多运算。我们的任务是利用这些运算能力，做又酷又实用的事，编程就是为了这个，我们下集说

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