Chapter 1 计算机系统概述

计算器分类¶

• PC
• 服务器
• 超级计算器：高端计算的服务器
• 嵌入式：环境 / 电源要求 / 屏幕 / 芯片等要求

计算机中有什么？¶

• 硬件
• 操作系统（管理硬件，做一些底层的东西）
  • 底层存储：0 / 1
  • 底层运算：与 / 或
• 系统软件
• 应用软件

编程语言¶

高级语言

高级语言，经过编译器，翻译成汇编语言，在经过汇编器，翻译成机器码

• c / cpp / Java

汇编语言 Assembly language

• 把机器码转换成符号（注记），和机器码很接近
• add ld sd，分别是加法，load，store
• x6 x5 x几代表寄存器

机器码

• 指令：在 RISC-V 中，一条指令就是32位二进制数

计算机体系结构（基本组成）¶

五个部分（冯诺依曼结构）

• 输入设备 input
• 输出设备 output
• 内存
• 控制器 control unit
• 运算器 / 数据通路

CPU 中包含：控制器 + 运算器 / 数据通路

一些硬件设备¶

PC 主板 motherboard

• PCI 总线插槽：全部设备通过总线相连，是可扩展的（比如说加一块硬盘）
• CPU 插座（CPU 是一种芯片chip）
• 内存条

触摸屏

• 原理：电容式 capacity 是手指接触产生电容变化

显示器 LCD screen

• 分辨率：屏幕就是一个巨大的像素点阵，每一个点都用 RGB 三原色显示颜色，每一个颜色都用 1 Byte 表示（8位，0~255），所以一个像素点就是 3 Byte，对应的存储是 显存（屏幕缓冲器，不在内存里面）
• 刷新率：硬件读取显存的频率，屏幕每秒钟刷新的次数，60Hz 就是每秒钟刷新60次

CPU中包含：

• 控制器 control unit
• 数据通路
• Cache memory
  • 是什么：比主存速度高的存储器
  • 也叫 SRAM 存储器（静态随机存取存储器）（内存是 DRAM，动态随机存取存储器，不停的刷新）

ISA（Instruction Set Architecture，指令集架构）

• CPU 中的指令集（汇编/机器码）：底层硬件给软件提供的接口（内部封装，给外部提供接口）
• 流派：x86（Intel / AMD） / ARM（手机） / RISC-V
• 就是一种抽象：根据接口，硬件工程师设计硬件，软件工程师设计软件

有关存储器

• 易失的 volatile / 非易失的 non-volatile

  • 易失的：断电数据丢失，速度快，价格便宜
    • 寄存器 register
    • Cache
    • 主存 memory / RAM
  • 非易失的：断电数据不丢失，速度慢，价格贵
    • 硬盘 disk / SSD
    • 光盘 CD / DVD
    • U 盘 USB flash drive

网络

• 局域网 / 广域网

  • 局域网 LAN：学校 / 公司
  • 广域网 WAN：互联网

关于性能¶

响应时间

• 定义：系统对外部请求做出反应所需的时间（ how long it takes to do a task）
• 对交互系统，最好在一秒钟做出
• 主要对用户来说
• 影响因素：
  • 硬件性能：CPU、内存、存储速度等
  • 软件效率：算法复杂度、代码优化等
  • 网络延迟：数据传输时间、带宽等

吞吐率

• 定义：单位时间内系统处理的任务数量（ how many tasks can be processed per unit time）
• 主要对服务器来说

关联：当任务数量多于吞吐率，新任务进来响应时间变长

影响因素：

• CPU 主频（时钟频率）4GHz / 2GHz

  • 1 GHz = 每秒 10⁹ 次周期。

评判标准：执行同样任务所用时间的倒数

时间的影响因素：

• CPU 计算时间：重点关注
  • 操作系统所用时间
  • 应用程序所用时间
• 数据访问时间
  • 与内存有关（内存性能 / 大小），内存小得放硬盘上，慢
  • 与 Cache 有关（Cache 性能 / 大小），Cache 小得放内存上，慢
• 外部设备（网络等）时间

CPU 时钟（CPU clocking）

• 4G：4GHz：250ps：250皮秒：250×10^-12秒

• 时钟频率 = 1 / 时钟周期

例如加法器，在时钟周期开始时读取两个输入，因为门电路有延迟等待信号稳定，到时钟周期末尾算出来，且信号稳定，给下一个单元

CPU 时间

• 简化：假设只有一个程序在运行

提高性能的方法：

• 减少时钟周期数（怎么减少？为什么能减少？）
  • 改变硬件设计
• 提高主频：减少时钟周期时间（提高时钟频率）
  • 近几年很难提高了

在做优化时候，增加 A 因素，无法做到 B 因素不变

时钟周期数 & CPI

• 影响因素：

  • 指令数（机器码指令）
  • 每条指令的平均时钟周期数 CPI（Cycles Per Instruction）

影响因素：

• 硬件工艺
• 指令集
• 编译器
• 高级语言
• 算法

x86 指令集：复杂指令集体系结构

RISC 指令集：精简指令集体系结构

• 目标：每条指令一个时钟周期
• 复杂操作：汇编语言编程时候写多条指令

In COMS IC technology,

功耗墙：

• 电压不能再降低
• 热量不能太多

性能提高：电子计算机 —— 量子计算机

多处理器¶

多核处理器（Multi-core Processor）

并行处理（Parallel Processing）

• 指令级并行：无关指令才可并行，靠硬件判断

负载均衡