深入浅出计算机组成原理
徐文浩
bothub创始人
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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)

  • LDxy
    CPU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.html
    2019-08-21
    1
  • Geek_54edc1
    cpu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
  • chengzise
    CPU 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
  • prader
    1 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 now
    intel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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