極客時間| 計組學習筆記

先整體: VonNeumannArchitecture 馮·諾依曼體系結構, 也叫 普林斯頓架構, 存儲程序計算機=運算器+控制器+存儲器+輸入+輸出

萬丈高樓平地起:

• binary 二進制
• 電工&電路

開始打怪升級:

• CPU
• 存儲與IO(見下篇)

寫在最後:

• 計組知識地圖
• 關於學習的碎碎念

寫在前面

準備好接收知識的壓縮餅乾🍪了嗎? blog從自己積累的知識庫中進行提煉, 如果遇到不理解的地方, 大概率是不理解相關概念, 多使用維基百科/百度百科進行搜索, 尤其是 引用 的格式, 基本上都已經在維基百科/百度百科搜索確認過

• 英文詞彙: https://en.wikipedia.org/wiki/{query}
• 中文詞彙: https://zh.wikipedia.org/wiki/{query} https://baike.baidu.com/item/{query}

bin 二進制 二進制可執行文件

計算機只有二進制! 計算機只有二進制! 計算機只有二進制!

編碼

• 二進制: 8進制.oct 16進制.hex

• 二進制 > 十進制, 涉及到的概念: 原碼.反碼.補碼; signed/unsigned int/uint

  • uint8=byte=ASCII: chr/ord 'a'^' '='A' 特殊字符(\n \r)

• 二進制 > float.浮點數: 浮點數轉換

• 十進制 > string.字符串: charset.字符集.encoding.字符編碼.亂碼

  • unicode: utf8=, 1-4byte 變長, 第一個字節爲 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0xxxxxxx, 常見utf8顯示 \xhh\xhh
  • big5.臺灣 GB2312.中國

• 字符串 + 格式 > json xml yaml toml ...

• 浮點數中的特殊值定義

e	f	s	float
0	0	0/1	0
0	!=0	0/1	0.f
255	0	0	INI_MAX
255	0	1	INI_MIN
255	!=0	0/1	NAN

運算

• 位運算: 與& 或| 非~ 異或^ << >>移位
• 位運算基礎上實現加減乘除等數學運算: LeetCode上有相關的題目

附贈相關的 LeetCode 原題:

• 大數相加: https://leetcode-cn.com/problems/add-strings/
• 兩數相除: https://leetcode-cn.com/problems/divide-two-integers
• utf8編碼校驗: https://leetcode-cn.com/problems/utf-8-validation

電工 電路

電工/電路需要了解的基礎知識: 從簡單門電路(與 或 非 異或)開始, 不斷組合成更復雜的電路:

• 門電路>半加器>全加器>加法器>ALU 超前進位加法器
• 乘法器 並行加速.單敗淘汰 電路並行.門延遲.gateDelay
• 寄存器=能夠進行狀態讀寫的電路元件=latch.鎖存器+D觸發器
• 自動電路.固定週期 > PC 程序計數器
• 譯碼電路.內存地址獲取數據/指令
• 摩斯碼電報機: relay.繼電器 反向器

電路2大分類:

• 組合邏輯電路.加法器=固定輸入固定輸出
• 時序邏輯電路.時鐘信號

最後:

• VLSI.超大規模集成電路

CPU

兩大核心功能: 處理單元+控制單元

• processUnit.處理器單元=ALU.算術邏輯單元+processorRegister.處理器寄存器=算術和邏輯運算=datapath.數據通路/運算器
• CU.控制器單元=instructionRegister.指令寄存器+PC.程序計數器=控制程序流程=分支+跳轉

2個核心指標: 性能+功耗

• 性能=提速+擴大帶寬
  • 性能優化: 加大大概率事件 通過預測提高性能
  • responseTime.響應時間/executionTime.執行時間 NewRelic.性能測試工具 SPEC wallClockTime.ElapseTime.time seq 1000000 | wc -l real/user/sys 指令數xCPIxCycle
    • cycle: 摩爾定律 clockCycle.時鐘週期2GHz=晶振
    • CPI: pipeline.流水線
    • 指令數: 編譯器優化
  • throughput.吞吐率/bandwidth.帶寬
    • 並行優化 並行存儲的性能分析 Amdahl's law
• 功耗~=0.5x負載電容x電壓的平方x開關頻率x晶體管數量

指令: 處理單元和控制單元之上的抽象

• instruction.指令=機器語言/機器碼
• IS.指令集=指令格式+尋址方式

// gcc -g -c test.c // -O 編譯器自動優化
// objdump -d -M intel -S test.o
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  srand(time(NULL));
  int r = rand() % 2;
  int a = 10;
  if (r == 0)
  {
    a = 1;
  } else {
    a = 2;
  }
}

• MIPS: R.算法/邏輯 I.數據傳輸/條件分支 J.跳轉(if/else for/while=goto)

• call.函數調用
  • 實現: push+pop=stack.棧
  • StackOverflow
  • InfiniteMirrorEffect=a調用b+b調用a
  • stackFrame.棧幀 stackPoint.棧指針
  • inline.函數內聯: 將函數調用優化爲非函數調用方式, 大大減少需要執行的指令數

// gcc -g -c test.c // -O 編譯器自動優化
// objdump -d -M intel -S test.o
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int u = add(1,2); 
}
// add_lib.c
int add(int a, int b){ return a+b;}

• linux.ELF.execuatableAndLinkableFileFormat symbolsTable.符號表(.text=code .data .rel.text=relocation .symtab) win.PE.portableExe
• dynamicLink.動態鏈接 linux.so.sharedObject win.dll.dynamicLinkLib PLT.procedureLinkTable.程序鏈接表 GOT.globalOffsetTable.全局偏移表

計組知識地圖

• Computer Architecture | Coursera
• 計算機組成-北大 https://www.icourse163.org/course/PKU-1205809805 https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng
• 深入淺出計算機組成原理-極客時間 2020
• Computer Architecture: A Quantitative Approach 計算機體系結構：量化研究方法; ed6 2019.7
• Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software 編碼 隱匿在計算機軟硬件背後的語言上; en 2019.6
• 大話計算機; 2019.5
• Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface 計算機組成與設計 硬件/軟件接口; ed5 2015.7; ARM版 2018; RISC-V版;
• 計算機是怎樣跑起來 程序是怎樣跑起來的; 2015
• Structured Computer Organization 計算機組成：結構化方法; 操作系統大神塔能鮑姆Andrew S. Tanenbaum; ed6 2014.8
• 程序員的自我修養：鏈接、裝載和庫; 2009.4

關於學習

• Done is better than perfect. 完美比完成更重要. -- Facebook
• 怕什麼真理無窮, 進一寸有進一寸的歡喜 -- 胡適
• 我們未來生活的可能性就是靠這點點滴滴串聯起來的 -- 喬布斯
• 對愛的渴望, 對知識的追求, 對人類苦難不可遏制的同情, 是支配我一生的單純而強烈的三種情感 -- 羅素
• 新的知識第一遍沒有100%懂, 而隨着時間的推移, 慢慢領悟成長了, 這纔是人生常態.
• 長期積累, 慢慢參悟, 螺旋上升
• 持續學習, 最有效的辦法: 不是短時間衝刺, 而是有節奏的堅持
• 知也無涯, 享受發現的樂趣
• 學與不學, 知識就在那裏, 不如就先學好了. -- 年輕的時候不知道賺錢要幹什麼用, 還是要多多少少賺點, 等到知道要幹什麼用的時候, 至少不缺
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