benben's Blog

0、课程导入

当玩游戏、写文档时如果断电，进度会丢失，这是为什么？

• 原因是这是电脑使用的是RAM(随机存取存储器)，俗称内存，内存只能在通电情况下存储数据。
• 本节课程将讲述内存的工作原理。

1、概念梳理

锁存器：锁存器是利用AND、OR、NOT逻辑门，实现存储1位数字的器件。
寄存器：1组并排的锁存器
矩阵：以矩阵的方式来存放锁存器的组合件，n*n门锁矩阵可存放n^2个锁存器，但同一时间只能写入/读取1个数字。(早期为16*16矩阵)

2、锁存器

作用：存储1位数字。
图示：

2.5、门锁

锁存器需要同时输入2个数字，不太方便。
为了使用更方便，只用1根电线控制数据输入，发展了门锁这个器件。另外，用另一个电线来控制整个结构的开关。(和复位作用不同)

3、寄存器

作用：并排使用门锁，存储多位数字
图示：

4、门锁矩阵

作用：
n*n的矩阵有n^2个位址，则可以存储n^2个数。但1个矩阵只可记录1位数字，n个矩阵组合在一起，才可记录n位数。如1个8位数，会按位数分成8个数，分别存储在8个矩阵的同一个位址中。
8个矩阵，则可以记录256个8位数字。

通俗理解：
16*16的门锁矩阵，可理解为1个公寓，1个公寓256个房间。
8个门锁矩阵并排放，则有了8个公寓。
规定每一个公寓同一个编号的房间，都有一样的标记(地址)，共同组成8位数字。
那么8个公寓就能存(8*256 /8)个数字。

原因：
16*16的门锁矩阵，虽然有256个位置，但每次只能存/取其中1个位置的数字。因此，要表示8位数字，就需要同时调用8个门锁矩阵。
图示：


使用方法：在多路复用器中输入位址，x行x列(2进制)，即可点亮x行x列的锁存器。

举例：

5、内存

粗略定义：将一堆独立的存储模块和电路看做

1、概念梳理

• CPU(Central Processing Unit)：中央处理单元，负责执行程序。通常由寄存器/控制单元/ALU/时钟组成。与RAM配合，执行计算机程序。CPU和RAM之间用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信。
  
  • 指令：指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
• 时钟：负责管理CPU运行的节奏，以精确地间隔，触发电信号，控制单元用这个信号，推动CPU的内部操作。
  
  • 时钟速度：CPU执行“取指令-->解码-->执行”中每一步的速度叫做“时钟速度”，单位赫兹Hz，表示频率。
  • 超频/降频：
    
    • 超频，修改时钟速度，加快CPU的速度，超频过多会让CPU过热或产生乱码。
    • 降频，降低时钟速度，达到省电的结果，对笔记本/手机很重要。
• 微体系框架：以高层次视角看计算机，如当我们用一条线链接2个组件时，这条线只是所有必须线路的抽象。

2、CPU工作原理

1)必要组件：

• 指令表：给CPU支持的所有指令分配ID
• 控制单元：像指挥部，有序的控制指令的读取、运行与写入。
  
  • 指令地址寄存器：类似于银行取号。该器件只按顺序通报地址，让RAM按顺序将指令交给指令寄存器
  • 指令寄存器：存储具体的指令代码。

2)过程

• 取指令：指令地址寄存器发地址给RAM-->RAM发该地址内的数据给指令寄存器-->指令寄存器接受数据
• 解码：指令寄存器根据数据发送指令给控制单元-->控制单元解码(逻辑门确认操作码)
• 执行阶段：控制单元执行指令(-->涉及计算时-->调用所需寄存器-->传输入&操作码给ALU执行)-->调用RAM特定地址的数据-->RAM将结果传入寄存器-->指令地址寄存器+1

3)图示：

1、概念梳理

• 指令：指示计算机要做什么的代码(机器码)，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
  
  • 注：指令和数据都是存在同一个内存里的。
• 指令集：记录指令名称、用法、操作码以及所需RAM地址位数的表格。
  
  程序

2、指令的执行

• 原则：
  
  • RAM每一个地址中，都存放0或1个数据。
  • 特定的数字组合，就表示一个指令，否则表示一个值。
• LOAD指令：
  
  • 计算机会按地址的顺序，读取RAM中所记录的指令/数据。
  • 计算机接收到指令后，如LOAD_A，则通过数据线将数据传至寄存器A。
    
• ADD指令：
  
  • ADD B A指令告诉ALU，把寄存器B和寄存器中的数字加起来，存到寄存器A中。
• JUMP指令：
  
  • 遇到JUMP指令，程序会跳转至对应的RAM地址读取数据。
  • JUMP指令可以有条件跳转(如JUMP-negative)，也可以无条件跳转。

3、计算机指令长度

由于长期计算机每个字只有8位，指令只占4位，意味着只能有16个指令，这远远不够。

现代计算机有两种方式解决指令不够长的问题：

最直接的是用更多位来表示指令，如32位或64位。
采用“可变指令长度”，令不同的指令的长度不同，尽量节约位数。

假设1个字为16位，如果某指令不需要操作内存，则可以省去寻址的位数。
该情况下，部分指令后面需要跟数据，如JUMP，称为立即值。

0、概念梳理

• 缓存：在CPU中的小块RAM，用于存储批量指令。
  
  • 缓存命中：想要的数据已经在缓存里
  • 缓存未命中：想要的数据不在缓存里
  • 赃位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫赃位，用于检测缓存内的数据是否与RAM一致。
• 多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。

1、现代CPU如何提升性能：

早期通过加快晶体管速度，来提升CPU速度。但很快该方法到达了极限。
后来给CPU设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏、视频解码。

2、缓存

为了不让CPU空等数据，在CPU内部设置了一小块内存，称为缓存，让RAM可以一次传输一批数据到CPU中。(不加缓存，CPU没位置放大量数据)
缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。
赃位：储存在缓存中与RAM不一致的数据。
空等原因：从RAM到CPU的数据传输有延迟(要通过总线，RAM还要时间找地址、取数据、配置、输出数据)。

3、缓存同步：

缓存同步一般发生在CPU缓存已满，但CPU仍需往缓存中输入数据。此时，被标记的赃位数据会优先传输回RAM，腾出位置以免被覆盖，导致计算结果有误。

4、指令流水线：

作用：让取址→解码→执行三个步骤同时进行。并行执行指令，提升CPU性能。
原本需要3个时钟周期执行1个指令，现在只需要1个时钟周期。
设计难点：数据具有依赖性 跳转程序

数据依赖性解决方法：
乱序运行、预测分支(高端CPU)

5、一次性处理多条指令

6、同时运行多个指令流(多核CPU)

多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。

7、超级计算机(多个CPU)

在一台计算机中，用无数个CPU，做怪兽级的复杂运算，如模拟宇宙形成。

1、早期，程序如何进入计算机

程序必须人为地输入计算机。早期，电脑无内存概念，人们通过打孔纸片等物理手段，输入数据(数字)，进入计算机。

2、早期计算机的编程

• 打孔纸卡/纸带：在纸卡上打孔，用读卡器读取连同电路，进行编程。原因，穿孔纸卡便宜，可靠也易懂。62500张纸卡=5MB数据
• 插线板：通过插拔线路的方式，改变器件之间的连接方式，进行编程。
• 面板开关(1980s前)：通过拨动面板上的开关，进行编程。输入二进制操作码，按存储按钮，推进至下一个内存位，直至操作完内存，按执行键执行操作。(内存式电脑)

3、现代计算机基础结构——冯诺依曼计算机

冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存

0、概念梳理

伪代码：用自然语言(中文、英语等)对程序的高层次描述，称为"伪代码"。
助记符：是便于人们记忆、并能描述指令功能和指令操作数的符号，助记符是表明指令功能的英语单词或其缩写。

1、早期二进制写代码

先前都是硬件层面的编程，硬件编程非常麻烦，所以程序员想要一种更通用的编程方法，就是软件。
早期，人们先在纸上写伪代码，用"操作码表"把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后，程序可以喂入计算机并运行。

2、汇编器&助记符

背景：1940~1950s，程序员开发出一种新语言，更可读、更高层次(汇编码)。每个操作码分配一个简单名字，叫"助记符"。但计算机不能读懂"助记符"，因此人们写了二进制程序"汇编器"来帮忙。
作用：汇编器读取用"汇编语言"写的程序，然后转成"机器码"。

3、最早高级编程语言"A-0"

汇编只是修饰了一下机器码，一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令，所以汇编码和底层硬件的连接很紧密，汇编器仍强迫程序员思考底层逻辑。
1950s，为释放超算潜力，葛丽思·霍普博士，设计了一个高级编程语言，叫"Arithmetic Language Version 0"，一行高级编程语言，可以转成几十条二进制指令。但由于当时人们认为计算机只能做计算，而不能做程序，A-0未被广泛使用。
过程：高级编程语言→编译器→汇编码/机器码

4、开始广泛应用的高级编程语言FORTRAN

1957年由IBM1957年发布，平均来说，FORTRAN写的程序，比等同的手写汇编代码短20倍，FORTRAN编译器会把代码转成机器码。但它只能运行于一种电脑中。

5、通用编程语言——COBOL

1959年，研发可以在不同机器上通用编程语言。
最后研发出来一门高级编程语言："普通面向商业语言"，简称COBOL
每个计算机架构需要一个COBOL编译器，不管是什么电脑都可以运行相同的代码，得到相同结果。

6、现代编程语言：1950s-2000

1960s起，编程语言设计进入黄金时代。
1960：LGOL，LISP和BASIC等语言
70年代有Pascal，C和Smalltalk
80年代有：C++，Object-C和Perl
90年

1、变量、赋值语句

如a=5，其中a为可赋值的量，叫做变量。把数字5放a里面，这叫"赋值语句"，即把一个值赋给另一个变量

2、if判断

可以想成是"如果x为真，那么执行y"，反之则不执行"y"，if语句就像岔路口，走哪条路取决于条件的真假。

3、while循环

当满足条件时进入循环，进入循环后，当条件不满足时，跳出循环。

4、for循环

for循环不判断执行条件，判断次数，会循环特定次数，不判断条件。for的特点是，每次结束，i会+1。

5、函数

当一个代码很常用的时候，我们会把它包装成一个函数(也叫方法或者子程序)，其他地方想用这个代码，只需要写函数名即可。