序

国庆了 本来今天要去 大姨那，下雨了 就没去。闲的在家 看看极客时间吧。

我最近不敢写掘金了，总感觉 写的东西 大家应该都知道，我希望能写一点 对大家有帮助的文章，而不是 水文，我写了很多备份稿子，但是 反而不知道怎么发了。

之前写了一篇 Rocketmq 的文章，本来感觉写法挺好的，但是反馈不是很好，搞得 我 不知道应不应该发了

《雨夜》 RocketMQ源码系列(一) NameServer 核心源码解析

最近想 重新学习下 计算机基础知识，看看有没有新的感悟

冯·诺依曼体系结构：计算机组成的金字塔

计算机的基本硬件组成

计算机的基本组成 必须的五个部分:控制器，处理器，存储单元，输入和输出设备

CPU、内存和主板，输入（Input）/ 输出（Output）设备，硬盘，显卡

主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题

作为外部 I/O 设备，它们是通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和 CPU 之间的通信的。

冯·诺依曼体系结构

上面说的是 PC，手机呢？手机制造商们选择把 CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上。这种方式叫 SoC，也就是 System on a Chip（系统芯片）

一台计算机应该有哪些部分组成

1. 包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）的处理器单元（Processing Unit）
2. 包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元（Control Unit/CU）
3. 存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存
4. 各种输入和输出设备，以及对应的输入和输出机制

而所有的计算机程序，也都可以抽象为从输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。

计算机的基本组成

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五大基本组件

计算机的指令和计算

CPU 的设计

CPU 时钟可以用来构造寄存器和内存的锁存器和触发器。数据通路，其实就是连接了整个运算器和控制器，并最终组成了 CPU。而出于对于性能和功耗的考虑，你要进一步理解和掌握面向流水线设计的 CPU、数据和控制冒险，以及分支预测的相关技术。

存储器的原理

计算机的计时单位：CPU 时钟

计算机可能同时运行着好多个程序，CPU 实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里面，很可能 CPU 切换去运行别的程序了。而且，有些程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和硬盘把数据读出来，给到内存和 CPU。所以说，要想准确统计某个程序运行时间，进而去比较两个程序的实际性能，我们得把这些时间给刨除掉。

那这件事怎么实现呢？Linux 下有一个叫 time 的命令，可以帮我们统计出来，同样的 Wall Clock Time 下，程序实际在 CPU 上到底花了多少时间。

我们简单运行一下 time 命令。它会返回三个值，第一个是 real time，也就是我们说的 Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程中流逝掉的时间；第二个是 user time，也就是 CPU 在运行你的程序，在用户态运行指令的时间；第三个是 sys time，是 CPU 在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间。而程序实际花费的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 加上 sys time。

只能在单 cpu测试 ，否则可能会导致 real time 可能会小于 user time+sys time

$ time seq 1000000 | wc -l
1000000


real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys   0m0.016s

程序 CPU 执行时间的公式。

程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间

对于 CPU 时钟周期数，我们可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。在这样拆分了之后，我们的程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积。

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

1. 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。比如说，我最早使用的 80386 主频只有 33MHz，现在手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提升了将近 100 倍。
2. 每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。在后面讲解 CPU 结构的时候，我们会看到，现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
3. 指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。

我们可以把自己想象成一个 CPU，坐在那里写程序。计算机主频就好像是你的打字速度，打字越快，你自然可以多写一点程序。CPI 相当于你在写程序的时候，熟悉各种快捷键，越是打同样的内容，需要敲击键盘的次数就越少。指令数相当于你的程序设计得够合理，同样的程序要写的代码行数就少。