在学习计算机的这几年，一直有些很基础的问题困扰着我，C++、Java照写，但总感觉没有底气。本科学过操作系统、数据结构、微机原理、数字电路，（不知是不是因为我给忘干净了还是咋的，）平时遇到学术道友聊自己做risc的，做高速总线的，做高性能计算的，做fpga加速的，又感觉自己啥也不知道了。归根结底还是计算机知识基础薄弱，儿时没有受到该有的熏陶，上大学又不感兴趣没好好看书。 今年我研二，在经历了痛定思痛的2020上半年后，想明白了很多，我决心（发自内心的）想了解它、学好它了。（这段“讨厌计算机——我还挺爱，继续战斗！”的内心经历有人感兴趣的话后面也可以总结放上来），总之Hello ，大家一起冲鸭！
• （层1）应用程序 • （中间）API：application programming interface，它是IT产业建生态的起点，是应用程序的高级语言编程接口，（Java、C等都是API），所有应用程序都是API编出来的。 • （层2）操作系统 • （中间）ISA：指令系统，是实现目标码兼容的关键，即应用软件兼容的关键，是生态建设的终点。指令系统就是从应用程序算法中抽取出来的算子。只有对应用程序有深入了解，才能决定哪些事情通过ISA由硬件直接实现、哪些事情通过指令组合由软件实现。 • （层3）硬件系统（要针对应用程序的行为进行优化：1.预读取提高流媒体处理性能；2.由应用程序访存的局部性设计高速缓存；3.应用程序转移行为的重复性和相关性实现CPU的转移猜测算法） • （中间）工艺模型：芯片生产厂家提供给芯片设计者的洁面，提供实现PCIE接口的物理层、提供各种IP • （层4）晶体管
• 最核心思想：将数据和程序分别存在存储器中，CPU从内存中取指令和数据进行运算，再将计算结果存入内存。即：存储程序和指令驱动执行。 • 解决了自动化问题：将人为下达的执行指令，设计成计算机可读的指令存起来。而非像人脑一样“内存中”只存数据。 • 局限：什么都保存在内存中使得访存成为性能瓶颈。
• 完成一个任务的指令数首先取决于算法。比如不同的排序算法，由于时间复杂度不同，执行的指令数可以差100倍。 • 价格：对同一款产品，成本曲线是不断降低的。产量的提高可以加速学习过程，提高成品率，降低一次性成本。 • 功耗：芯片是功耗的主要组成部分。
• 指令系统之前严格划分着pc的软硬件系统，但随着虚拟机和二进制翻译系统的出现，软硬件界面模糊了 • 2010年之后，随着计算机软硬件基础的不断成熟，IT产业的主要创新从工艺转向应用。 • COMS的方法逼近物理极限，面临着原子和量子机制的边界 • 近年：体系结构主要研究都是在解决处理器和内存速度的差距问题——高速缓存 • 访存带宽不够——总线。摩尔定律第一个杀手 功耗；第二个杀手 带宽问题。 • 晶体管工艺中：设计和验证能力的提高赶不上晶体管增加的速度，形成剪刀差。 • 性能功耗比：成为这个阶段计算机体系结构设计的首要目标。追求高性能—变为—高吞吐率 • 发展趋势：网络服务和移动计算；可以处理流式数据，支持数据级和线程级并行
• CPU计算性能和访存带宽平衡的经验原则：峰值浮点运算速度和峰值访存带宽1：1左右 • 主要因素和次要因素的统筹兼顾——优化到不能再优化的时候，次要因素往往会成为瓶颈
• 事件局部性 ——RISC（精简指令集计算机）指令系统的提出就是利用“指令的事件局部性”对频繁发生的事件进行重点优化的例子 • 访存局部性 • 时间局部性：高速缓存 • 空间局部性：TLB、预取
• 时间并行：指令流水线 • 空间并行：多发射、超标量，即乱序执行、允许超车
• 主要指单指令流多数据流（SIMD）的向量结构。作为指令级并行的有效补充，在流媒体领域发挥重要的作用，尤其在专用处理器中应用很多。
• 大量存在于Internet应用中 • 代表是多核处理器、多线程处理器 • 并行粒度大
• 虚拟存储技术：程序员编程时不需要直接和物理内外存打交道 • 多线程（SMT）和虚拟机技术，虚拟了CPU • 虚拟机技术：通过微结构的硬件增强，如设立多组控制寄存器和系统状态等，实现多个操作系统的快速切换，达到在同一台PC上“同时”运行多个操作系统的目的 • catch技术：可以使程序员看到一个“像catch那么快，像内存那么大”的存储空间
• 设计原则：兼容性、通用性、高效性、安全性等、
• CISC：complex instruction set computer，复杂指令集。其指令长度可变，CPU在执行过程中将其翻译成一条或多条微代码。（二八定律）在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。 • RISC：reduced instruction set computer，精简指令集。指令长度相对固定； • VLIW：very long instruction word，超长指令字。本质上讲是多条同时执行的指令的组合；
• 三者关系：CISC的典型代表是X86，RISC的典型代表是ARM，两者区别在于指令集zhi复杂度，CISC有很多指令集，一个指令可能是一系列底层硬件操作的打包，而RISC相对指令集简单、直接，但相对操作要更复杂，简单点理解：CISC是硬件版VB，你不需要怎么关注底层实现，RISC是硬件版C，VB下很简单实现的事可能要大费周折才能实现，但你折腾下来你会发现能效比较高。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一
• 现代操作系统含保护模式，将程序分为两个权限等级：用户态、和心态。 • 虚拟化服务在服务器领域特别有用，它不绑定任何底层硬件，可当作软件进程。虚拟机中同样支持不同的运行级别。为提高效率，硬件辅助虚拟化已经为虚拟化发展的必然趋势。（如VT、SVM）
• 指令=操作码+操作数
• 运算指令 • 访存指令 • 转移指令 • 过程调用 • 过程返回 • 特殊指令
• P43，列举了过程（函数）调用、流程控制语句等的高级语言与汇编码对应。
• 异常的概念：计算机按照软件执行流进行顺序执行和跳转，有时会需要中断正常的执行流程去处理其他任务，触发这一过程的事件统称为异常。
• 外部事件（中断）：例如操作系统中IO的处理。在嵌入式系统中，CPU的主要作用之一就是处理外设相关事务，因此中断发生的数量很多，也非常重要。 • 指令执行中的错误 • 数据完整性问题 • 地址转换异常（常见） • 系统调用和陷入 • 需要软件修正的运算
• 处理器中有存储管理部件，即MMU（memory management unit），负责构建虚拟的内存地址，将虚拟地址转换至物理地址、多进程空间管理管理等工作。 • 具体体现之一是TLB的结构和使用，这部分也属于操作系统的重点内容，笔者已经掌握，不再赘述。
• 关键：API——ABI——ISA，三层实现结构。 • 在API和ISA之间有一层应用程序二进制接口，即ABI（application binary interface），它是应用程序访问计算机硬件及操作系统服务的接口，由计算机的用户态指令和操作系统的系统调用组成；它是程序在某个指令系统上执行时，必须遵循的一些特定的规定；它包括寄存器使用、函数调用、数据表示格式等约定。
• 1.键盘产生一个信号送到南桥芯片，南桥芯片将键盘编码保存在一个寄存器中，并向处理器发出一个外部中断信号。 • 2.中断信号传到CPU内部，把其中一个称为cause的控制寄存器的某一位置为“1”，表示收到了外部中断。 • 3.CPU中另外一个控制寄存器status中的“屏蔽位”确定是否处理这个中断信号 • 4.屏蔽处理后的中断信号附在一条译码后的指令上送到重排序缓冲ROB中，等待CPU处理（exception不会被功能部件执行） • 5.系统态设为核心态，保存exception原因、设置操作系统处理exception的计数器入口。 • 6.操作系统保存现场，向CPU的控制寄存器读取exception原因，发现是有人敲了空格键。 • 7.操作系统查找空格键是谁给的：有没有进程处在阻塞状态等键盘输入——发现是powerpoint • 8.进程响应空格，把powerpoint唤醒，运行状态下ppt发现操作系统传来的数据是键盘输入空格，表示翻页 • 9.ppt把下一页内容准备好，调用操作系统中的显示驱动程序，把要显示的内容送到显存，由图形处理器GPU通过访问显存空间刷新屏幕。
• 系统调用运行在核心态，是操作系统内核为用户态程序实现的子程序
• 基于互斥的同步机制、锁机制、阻塞机制等的使用，帮助软硬件协同工作。
• 疑问：既然fpga不适合实现复杂算法，那我们计算机软件写的那么复杂的算法cpu又是怎么拆解完成实现的？ • 这里面有很有意思的南北桥介绍，GPU、CPU之间的通信介绍，计算机总线接口技术（片上总线、单向总线、串行总线等），计算机启动过程各部分初始化细节等知识。（下篇）会更新这部分。
我的专业方向是软件，四五六部分的内容打算略看，需要时再来查阅即可。
