深入浅出计算机组成原理
徐文浩
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入门篇 (5讲)
开篇词 | 为什么你需要学习计算机组成原理?
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01 | 冯·诺依曼体系结构:计算机组成的金字塔
02 | 给你一张知识地图,计算机组成原理应该这么学
03 | 通过你的CPU主频,我们来谈谈“性能”究竟是什么?
04 | 穿越功耗墙,我们该从哪些方面提升“性能”?
原理篇:指令和运算 (12讲)
05 | 计算机指令:让我们试试用纸带编程
06 | 指令跳转:原来if...else就是goto
07 | 函数调用:为什么会发生stack overflow?
08 | ELF和静态链接:为什么程序无法同时在Linux和Windows下运行?
09 | 程序装载:“640K内存”真的不够用么?
10 | 动态链接:程序内部的“共享单车”
11 | 二进制编码:“手持两把锟斤拷,口中疾呼烫烫烫”?
12 | 理解电路:从电报机到门电路,我们如何做到“千里传信”?
13 | 加法器:如何像搭乐高一样搭电路(上)?
14 | 乘法器:如何像搭乐高一样搭电路(下)?
15 | 浮点数和定点数(上):怎么用有限的Bit表示尽可能多的信息?
16 | 浮点数和定点数(下):深入理解浮点数到底有什么用?
原理篇:处理器 (18讲)
17 | 建立数据通路(上):指令+运算=CPU
18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU
19 | 建立数据通路(下):指令+运算=CPU
20 | 面向流水线的指令设计(上):一心多用的现代CPU
21 | 面向流水线的指令设计(下):奔腾4是怎么失败的?
22 | 冒险和预测(一):hazard是“危”也是“机”
23 | 冒险和预测(二):流水线里的接力赛
24 | 冒险和预测(三):CPU里的“线程池”
25 | 冒险和预测(四):今天下雨了,明天还会下雨么?
26 | Superscalar和VLIW:如何让CPU的吞吐率超过1?
27 | SIMD:如何加速矩阵乘法?
28 | 异常和中断:程序出错了怎么办?
29 | CISC和RISC:为什么手机芯片都是ARM?
30 | GPU(上):为什么玩游戏需要使用GPU?
31 | GPU(下):为什么深度学习需要使用GPU?
32 | FPGA和ASIC:计算机体系结构的黄金时代
33 | 解读TPU:设计和拆解一块ASIC芯片
34 | 理解虚拟机:你在云上拿到的计算机是什么样的?
原理篇:存储与I/O系统 (17讲)
35 | 存储器层次结构全景:数据存储的大金字塔长什么样?
36 | 局部性原理:数据库性能跟不上,加个缓存就好了?
37 | 高速缓存(上):“4毫秒”究竟值多少钱?
38 | 高速缓存(下):你确定你的数据更新了么?
39 | MESI协议:如何让多核CPU的高速缓存保持一致?
40 | 理解内存(上):虚拟内存和内存保护是什么?
41 | 理解内存(下):解析TLB和内存保护
42 | 总线:计算机内部的高速公路
43 | 输入输出设备:我们并不是只能用灯泡显示“0”和“1”
44 | 理解IO_WAIT:I/O性能到底是怎么回事儿?
45 | 机械硬盘:Google早期用过的“黑科技”
46 | SSD硬盘(上):如何完成性能优化的KPI?
47 | SSD硬盘(下):如何完成性能优化的KPI?
48 | DMA:为什么Kafka这么快?
49 | 数据完整性(上):硬件坏了怎么办?
50 | 数据完整性(下):如何还原犯罪现场?
51 | 分布式计算:如果所有人的大脑都联网会怎样?
应用篇 (5讲)
52 | 设计大型DMP系统(上):MongoDB并不是什么灵丹妙药
53 | 设计大型DMP系统(下):SSD拯救了所有的DBA
54 | 理解Disruptor(上):带你体会CPU高速缓存的风驰电掣
55 | 理解Disruptor(下):不需要换挡和踩刹车的CPU,有多快?
结束语 | 知也无涯,愿你也享受发现的乐趣
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答疑与加餐 (5讲)
特别加餐 | 我在2019年F8大会的两日见闻录
FAQ第一期 | 学与不学,知识就在那里,不如就先学好了
用户故事 | 赵文海:怕什么真理无穷,进一寸有一寸的欢喜
FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的?
特别加餐 | 我的一天怎么过?
深入浅出计算机组成原理
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09 | 程序装载:“640K内存”真的不够用么?

徐文浩 2019-05-15
计算机这个行业的历史上有过很多成功的预言,最著名的自然是“摩尔定律”。当然免不了的也有很多“失败”的预测,其中一个最著名的就是,比尔·盖茨在上世纪 80 年代说的“640K ought to be enough for anyone”,也就是“640K 内存对哪个人来说都够用了”。
那个年代,微软开发的还是 DOS 操作系统,程序员们还在绞尽脑汁,想要用好这极为有限的 640K 内存。而现在,我手头的开发机已经是 16G 内存了,上升了一万倍还不止。那比尔·盖茨这句话在当时也是完全的无稽之谈么?有没有哪怕一点点的道理呢?这一讲里,我就和你一起来看一看。

程序装载面临的挑战

上一讲,我们看到了如何通过链接器,把多个文件合并成一个最终可执行文件。在运行这些可执行文件的时候,我们其实是通过一个装载器,解析 ELF 或者 PE 格式的可执行文件。装载器会把对应的指令和数据加载到内存里面来,让 CPU 去执行。
说起来只是装载到内存里面这一句话的事儿,实际上装载器需要满足两个要求。
第一,可执行程序加载后占用的内存空间应该是连续的。我们在第 6 讲讲过,执行指令的时候,程序计数器是顺序地一条一条指令执行下去。这也就意味着,这一条条指令需要连续地存储在一起。
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精选留言(55)

  • 曾轼麟
    jvm已经是上层应用,无需考虑物理分页,一般更直接是考虑对象本身的空间大小,物理硬件管理统一由承载jvm的操纵系统去解决吧

    作者回复: 👍完全正确

    2019-05-15
    27
  • 请教一下,按页分配就不需要连续内存空间了吗?进而,既然不需要连续,为什么还要再交换,不是随便放就好了吗?

    作者回复: 一页之内要连续,不同的页之间不需要。随便放内存里也放不下啊

    2019-05-16
    1
    13
  • DreamItPossible
    思考题
    1. 在 Java 这样使用虚拟机的编程语言里面,我们写的程序是怎么装载到内存里面来的呢?
    答:首先,我们编写的Java程序,即源代码`.java`文件经过编译生成字节码文件`.class`;
    然后,创建JVM环境,即查找和装载`libjvm.so`文件;
    最后,通过创建JVM实例,加载主类的字节码文件到系统给该JVM实例分配的内存中;
    2. 它也和我们讲的一样,是通过内存分页和内存交换的方式加载到内存里面来的么?
    答:Java代码的执行需要JVM环境,JVM环境的创建就是查找和装载`libjvm.so`文件:装载`libjvm.so`是通过内存分页和内存交换的方式加载到内存的。
    字节码文件是通过类加载器加载到主类文件对应的JVM实例的内存空间中的,这一部分不是使用内存分页和内存交换的方式来管理的,使用的是JVM的内存分配策略来管理的;

    作者回复: 👍

    2019-08-11
    11
  • 子杨
    「我们的操作系统会捕捉到这个错误,然后将对应的页,从存放在硬盘上的虚拟内存里读取出来,加载到物理内存中」
    这段话不太理解,虚拟内存不是指的程序中的内存地址吗?难道是实际存放在硬盘上的一段空间?那这和 Swap 分区有何关系吗?

    作者回复: 虚拟内存是指一段地址,但是没有加载到物理内存里的时候其实就是放在硬盘上。

    你可以认为就是放在swap分区里面的,实际上是swap分区是一个历史遗留名词,现在“swap”的其实都是page了,当然也可以创建单独的.swp这样的文件。

    2019-05-21
    1
    8
  • humor
    既然操作系统本身有虚拟内存、内存交换和内存分页的能力,JVM为什么还要自己配置Heap等的大小呢?如果内存使用大于JVM配置的值,还会报OOM,反正有swap空间,让操作系统自己去做内存交换不就可以了吗?

    作者回复: JVM并不是一个系统级的程序啊,其实只是一个操作系统之上的应用程序,申请的这些heap size是确保自己只使用特定规模的资源啊

    2019-05-15
    7
  • 曾轼麟
    但是jvm中其实也会出现内存碎片的问题,所以也出现了各种各样的gc收集器

    作者回复: 其实分段之后换页合并,又何尝不是一种特殊情况下的垃圾回收呢

    2019-05-15
    6
  • Linuxer
    我想jvm也是一个可执行程序,应该同其他程序一样依赖于操作系统的内存管理和装载程序就可以了,它可以按自己的方式去规划它自身的内存空间给就java程序使用而无需考虑怎么映射到物理内存这些

    作者回复: 是的,没错

    2019-05-15
    6
  • 美美
    分页是不连续的,那一个程序的多个页是怎么串联起来的?程序怎么做到顺序执行的?
    2019-05-30
    2
    2
  • 活的潇洒
    从第1遍听到语言,到现在的笔记花了不少3个小时的时间,但是收获确实很多
    刚完成笔记:https://www.cnblogs.com/luoahong/p/10894963.html

    作者回复: 👍加油

    2019-05-20
    2
  • 不记年
    内存分页使得映射的基本单元从段变成了规范的,容易处理的页

    作者回复: 👍

    2019-05-16
    2
  • 有铭
    为什么分页的默认大小是4KB,而不是2KB或者8KB?这里面应该是有某种理由的吧?

    作者回复: 分页的大小是可以在操作系统层面设置的,4k你可以认为是一般情况下的最佳实践,如果你的使用场景比较特殊,是可以设置成其他值的

    2019-05-15
    2
  • Fstar
    Mysql 的 B+树 实现,也考虑了页的问题呢,就是尽量将多个结点的数据保存在一起,让数据达到大概为1个页的大小(小于或等于)。这样每次就能从硬盘中读取尽可能接近一个页的数据到内存中,来减少 IO 操作。
    2019-07-20
    1
  • 剑衣清风
    觉得这章可以结合同是极客时间的 Linux性能优化实战 中的 15 | 基础篇:Linux内存是怎么工作的? 一起看
    2019-06-13
    1
  • 焰火
    浩哥,请问一下,操作系统本身在运行过程中应该不能采用分页机制吧。这讲的分页机制应该只是针对用户的应用程序之上?
    我刚刚查了一下我的window任务管理器上system的进程总大小也就300+MB,操作系统自身所占的内容就这么大么?
    2019-05-20
    1
  • 闫循鸣
    640k内存,如果我的程序写了一个1M的字符串求length() 指令加数据大于640k。内存不就oom了吗?
    2019-05-19
    1
  • 高鑫
    老师好,有个问题请教,虚拟内存地址与物理内存地址是n:1的关系吗?
    2019-05-17
    1
  • 暴风雪
    老师,您好!通读全文,我有两个疑问想请假下您。
    1.既然有了虚拟内存和物理内存作映射,为什么还要要求物理内存是连续的?如果不需要连续的物理内存,那么内存碎片的问题就不存在了。
    2.

    作者回复: 暴风雪同学你好,映射不是一个byte一个byte来映射,而是映射一头一位的地址,不然映射表就太大了。映射到一头一尾中间的整段物理内存需要是连续的

    2019-05-17
    1
  • 曾经瘦过
    感觉这一讲的内容 基本都是 《现代操作系统》 中关于内存 部分的内容

    作者回复: 组成原理里的内存部分还是比操作系统要简单很多的,想要深入理解还是要仔细看看操作系统

    2019-05-16
    1
  • Forever
    能详细讲讲JVM的类加载器吗?期待~~~

    作者回复: JVM的class loader的资料网上还是很多的,这个其实完全是个应用层问题,不太适合放到组成原理里面

    2019-05-15
    1
  • 明月
    这里说的程序是指进程还是什么?

    作者回复: 可以认为是一个进程

    2019-05-15
    1
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