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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17 | 建立数据通路（上）：指令+运算=CPU
徐文浩 2019-06-03
前面几讲里，我从两个不同的部分为你讲解了 CPU 的功能。
在“指令”部分，我为你讲解了计算机的“指令”是怎么运行的，也就是我们撰写的代码，是怎么变成一条条的机器能够理解的指令的，以及是按照什么样的顺序运行的。
在“计算”部分，我为你讲解了计算机的“计算”部分是怎么执行的，数据的二进制表示是怎么样的，我们执行的加法和乘法又是通过什么样的电路来实现的。
然而，光知道这两部分还不能算是真正揭开了 CPU 的秘密，只有把“指令”和“计算”这两部分功能连通起来，我们才能构成一个真正完整的 CPU。这一讲，我们就在前面知识的基础上，来看一个完整的 CPU 是怎么运转起来的。
指令周期（Instruction Cycle）
前面讲计算机机器码的时候，我向你介绍过 PC 寄存器、指令寄存器，还介绍过 MIPS 体系结构的计算机所用到的 R、I、J 类指令。如果我们仔细看一看，可以发现，计算机每执行一条指令的过程，可以分解成这样几个步骤。
1.Fetch（取得指令），也就是从 PC 寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中，然后把 PC 寄存器自增，好在未来执行下一条指令。
2.Decode（指令译码），也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是 R、I、J 中的哪一种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址。
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精选留言(20)
LDxyCPU在空闲状态就会停止执行，具体来说就是切断时钟信号，CPU的主频就会瞬间降低为0，功耗也会瞬间降低为0。由于这个空闲状态是十分短暂的，所以你在任务管理器里面也只会看到CPU频率下降，不会看到降低为0。当CPU从空闲状态中恢复时，就会接通时钟信号，这样CPU频率就会上升。所以你会在任务管理器里面看到CPU的频率起伏变化。这个知识也是我找工作面试时才学到的。2019-06-04 1 35- Akizuki操作系统内核有 idle 进程，优先级最低，仅当其他进程都阻塞时被调度器选中。idle 进程循环执行 HLT 指令，关闭 CPU 大部分功能以降低功耗，收到中断信号时 CPU 恢复正常状态。2019-06-05 11
roger程序计数器一直在变化，就是满载吧，持续不变就是idle。CPU密集型任务需要CPU大量计算的任务，这个时候CPU负载就很高，IO密集型任务，CPU一直在等待IO，就会有idle。2019-08-12 4
龙猫cpu执行速度非常快，消耗性能资源也比较快。但实际上，电脑并不是时刻都需要进行大量运算。
所以，CPU需要一种“闲置”状态，来平衡这种矛盾（需要忙时，可以全速奔跑；暂无事务时，又可节能地随时待命。）
“Idle 闲置”是一种低功耗的状态，cpu在执行最低功耗的循环指令。实际上并非啥都没干，而是一直在干最最轻松的事儿。2019-06-04 2
子龙uptime 命令查看平均负载
满载运行就是平均负载为1.0(一个一核心CPU)
定义为特定时间间隔内运行队列中的平均线程数。load average 表示机器一段时间内的平均load。
这个值越低越好。负载过高会导致机器无法处理其他请求及操作，甚至导致死机
当CUP执行完当前系统分配的任务，为了省电，系统将执行空闲任务（idle task），这个任务循环执行HLT指令，CPU就会停止指令的执行，并且让CPU处于HALT状态,CPU虽然停止指令执行，并且CPU的部分功能模块将会被关闭（达到降低功耗的目的），但是CPU的LAPIC（Local Advanced Programmable Interrupt Controller）并不会停止工作，即CPU将会继续接收外部中断、异常等外部事件（事实上，CPU HALT状态的退出将由外部事件触发）.当CPU接收到这些外部事件的时候，将会从HALT状态恢复回来，执行中断服务函数，并且当中断服务函数执行完毕后，指令寄存器（CS:EIP）将会指向HLT指令的下一条指令，即CPU继续执行HLT指令之后的程序2019-10-21 1
活的潇洒要想成功三个动作很重要
1、做出来
2、写出来
3、讲出来
三个非常重要，缺一不可
day17 笔记：https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11330406.html2019-08-21 1- Geek_54edc1cpu满载和空闲的分别主要是操作系统调度任务导致的，如果操作系统调度了一个高优先级的任务，那么cpu就优先执行这个任务即满载，如果操作系统调度了一个低优先级的idle任务，那么cpu就执行这个idle任务，显示为空闲状态，空闲即假装“没事做”，其实当有其他更高优先级的任务调度时，就可以抢占它，去执行更高优先级的任务2019-06-18 1
kdb_reboot很喜欢这几章；大二时学数电，期末考了93分，但是仍然不知道它能做什么用，内心有困惑，但是也没更多的坚持这个问题；感谢你作者回复: 👍一起加油
2019-06-06 1
chengziseCPU 还会有满载运行和 Idle 闲置的状态, 指的系统层面的状态。即使是idle空闲状态，cpu也在执行循环指令2019-06-03 1
once老师 前面你说了 访问内存很慢 从内存中取出指令至少需要一个cpu周期 但是执行指令相对于从内存中取出指令应该会快很多吧 为什么也要至少一个cpu周期呢2019-11-27
Ronnyz满载就是执行高优先级任务，不会被中断；空闲就是执行的任务优先级较低，可以被中断2019-11-25
业余爱好者cpu的取指，译码，执行某个过程被阻塞了2019-11-21
九云指令周期、时钟周期2个概念就够了。引入CPU周期这个概念，要解释什么问题呢？2019-11-15
prader1 一个指令周期包括取指令，译码，执行。 这些行为用到的电路有，锁存器（存储数据）和D触发电路。ALU这样的逻辑组合电路，实现pc寄存器的计数电路，以及用来解码和译址的译码器电路。2019-09-15
-W.LI-老师好!我看了计算机组成与设计第一章
书上原文是一个程序所需要的时钟周期写为:
CPU时钟周期数=程序指令数*CPI。
并没有明确的CPU周期概念。CPU周期这个概念怎么理解啊?
CPU周期=CPU周期数倒数么?2019-06-30
一步一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU 周期。取出指令至少需要一个 CPU 周期，执行至少也需要一个 CPU 周期
这里执行为什么也需要一个至少也需要一个 CPU 周期呢？ CPU周期是从内存中读取一个CPU指令的最短时间，是执行的需要读取操作数在内存中的值需要的时间？2019-06-09 1
Only nowintel的cpu跳转指令貌似不是仅仅修改pc寄存器的值了吧, 它是不是还兼任着打断并清理流水线的作用?
我感觉jit中的循环展开的优化措施其中一部分性能提升的原因也与此有关。2019-06-04
Sentry一段程序的执行，所涉及的各种周期，步调可能不一致，类似于段页式内存管理中，经常产生内存碎片……个人凭直觉的一些理解，请老师斧正。2019-06-03
不记年对于老师的那个取值-译码-执行的流程图，把alu换成数据通路更合适一点，因为数据的在寄存器，内存之间的转换不需要alu吧，如果错了请指正哈～2019-06-03
陆离在一个指令周期内，可能有大量的操作单元是idle状态，这个时候CPU负载也较低2019-06-03
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