6.暫存器和記憶體

“隨機存取存盤器”，簡稱“RAM”,只能在有電的情況下存盤東西，比如游戲狀態
另一種存盤叫“持久存盤”，電源關閉時資料也不會丟失

存1位（AND-OR Latch - 鎖存器）
將輸出值回流到輸入值，其輸出結果仍然保持不變，這便使得可以持久存盤，結果就好像是被鎖住一樣，因此形象的稱為“鎖存”

放入資料的動作叫寫入，拿出資料的動作叫讀取
兩條線：一條是資料輸入,另一條是啟用寫入線

只有當寫入線啟用時，寫入的資料才會存盤到計算機里面，讀取資料時才會更新為剛剛寫入的值

存8位 （register - 暫存器）
位寬表示記憶體或顯存一次能傳輸的資料量

隨著存盤位數的增加，需要的線也越來越多，矩陣便是解決這個問題的方法
16x16 的矩陣便可以存 256 位
資料選擇器/多路復用器（Multiplexer）解碼8位地址，定位到單個鎖存器

4位代表行，4位代表列
如1100 1000 就代表12行8列的鎖存器
再比如0000 0001就代表0行1列的鎖存器
（行和列均由0開始）

組合256位記憶體 + 多路復用器

可尋址的256位元組 記憶體
一條1980年代的記憶體，1M大小
8個模塊，每個模塊有32個小方塊，
每個小方塊有4個小塊，每個小塊是128位x64位

7.中央處理器（CPU）

RAM（一大塊記憶體，能在不同地址存大量資料） + 暫存器（很小的一塊記憶體，能存一個值） + ALU（算術邏輯單元）做成了計算機的心臟“中央處理單元”簡稱CPU

CPU負責執行程式
解釋**“取指令–>解碼–>執行”**這個回圈

CPU完成“取指令–>解碼–>執行”每一步的速度叫**“時鐘速度”**
其中單位是赫茲–赫茲是用來表示頻率的單位，1赫茲代表1秒1個周期
舉個例子：6min執行了4條指令（讀取–>讀取–>相加–>存盤）
而每條指令經歷了“取指令–>解碼–>執行”三個時鐘速度
因此就是4（4條指令）*3（每條指令需要花費的時間速度）/3600s（四條指令總花費的時間），所以時鐘速度大概是0.03赫茲

超頻提升性能，降頻省電

8.指令和程式

每個地址可以存8位資料
前四位是“操作碼”，后四位是記憶體地址，或暫存器

指令 操作碼

LOAD_A（暫存器A） 0010

LOAD_B（暫存器B）

例如00101110，其中前四位代表指令LOAD_A，后四位指定記憶體地址的值，放入暫存器A
后四位是1110，十進制過后是14，因此00101110可以看成LOAD_A 14指令，從地址14拿
到數字然后放入暫存器A（LOAD_B同理）

ADD指令

例如“ADD B A”告訴ALU把暫存器B和暫存器A里的數字加起來
特別注意：B和A的順序很重要，因為結果會存在第二個暫存器，也就是這里會存在暫存器A里

STORE_A指令

例如：STORE_A 13就是把暫存器A的值存入記憶體地址13

SUB指令

實作減法操作，與ADD一致，也是兩個暫存器進行操作

JUMP指令

實作跳轉，讓程式跳轉到新的位置
例如JUMP 0可以跳回開頭
JUMP在底層的實作方式是把指令后四位代表的記憶體地址的值覆寫掉“指令地址暫存器”里的值

還有一個特別版的JUMP叫JUMP_NEGATIVE

它只在ALU的“負數標志”為真時，進行JUMP

HALT（停止）指令

能夠區分指令和資料 使計算機停下來

帶條件的跳轉，JUMP NEGATIVE是負數才跳轉，還有其他型別的JUMP

因為這里的CPU是為了便于理解做的假設
其中四位2進制最多只能表示16個指令或者地址，但真正現代CPU需要用更多指令集，

兩種策略
第一種策略是使位數更長，比如32位或者64位，這叫做指令長度
第二種策略是**“可變指令長度”**，長度可以是任意的，但讀取相對復雜

1971年的英特爾 4004處理器，有46個指令
這是第一次把CPU做成了一個芯片，給后來的英特爾處理器帶下了基礎

如今英特爾酷睿i7，有上千條指令還增加了不少指令變種

9.高級CPU設計

早期是加快晶體管切換速度，來提升CPU速度

給CPU專門的除法電路（早期的除法相當是在做一個又一個的減法操作，比如16/4 在早期是16 - 4 - 4 - 4 - 4，直到碰到0或者負數才停下） + 其他電路來做復雜操作，比如游戲，視頻解碼

如果想要的資料已經在快取，叫快取命中
如果想要的資料不在快取，叫快取未命中

臟位–Dirty bit

快取與RAM同步一般發生在 當快取滿了而CPU又要快取時
在清理快取騰出空間時，會先檢查“臟位”
如果是“臟”的，在加載新內容之前，會把資料寫回RAM

另一種提升性能的方法叫**“指令流水線”**
流水線設計，用1個洗衣機和1個干燥機舉例
例如：你要洗一整個酒店的床單，但只有1個洗衣機和1個干燥機
選擇1：按順序來，放洗衣機等30min洗完，然后拿出濕床單，放入干燥機等30min烘干
結果1：一批床單需要1個小時

并行處理–parallelize
同樣的例子
選擇2：洗衣機和干燥機同時進行
結果2：效率x2

同理，CPU也可以這樣處理，之前是“取址–>解碼–執行>”不斷重復
這種設計，三個時鐘周期執行1條指令
但因為每個階段用的是CPU的不同部分，意味著可以并行處理
例如當“執行”一個指令時，同時“解碼”下一個指令，“讀取”下下個指令
結果就是不同的任務重疊進行，同時用上CPU里所有的部分，這樣的流水線 每個時鐘周期就可以執行1個指令，吞吐量x3

但這樣做也會帶來幾個問題：

問題1：指令之間的依賴關系，比如“讀取”A地址的資料，而此時“執行”是修改A地址的資料，那么讀取到的資料就是執行修改后的資料，

因此流水線處理器就要先弄清資料依賴性，必要時停止流水線，避免出問題

而如今高端的CPU會進一步，動態排序 有依賴關系的指令最小化流水線的時間也就是亂序執行–out-of-order execution

問題2：“條件跳轉”，比如之前說的JUMP NEGATIVE
這些指令會改變程式的執行流

簡單的流水線處理器，看到JUMP指令會停一會兒 等待條件值確定下來，一旦JUMP的結果出了，處理器就會繼續流水線

而空等會造成延遲，所以高端處理器就會用一些技巧
例如：將JUMP想成是“岔路口”，高端CPU會猜哪條路的可能性大一些，然后提前把指令放進流水線，這叫**“推測執行”**，當JUMP的結果出了，如果CPU猜對了，流水線已經塞滿正確指令，可以馬上運行；如果CPU猜錯了，就要清空流水線

為了盡可能減少清空流水線的次數，CPU廠商開發了復雜的方法，來猜測哪條分支更有可能，叫**“分支預測”**，現代CPU的正確率超過90%

理想情況下，流水線一個時鐘周期完成1個指令，然后“超標量處理器”出現了，一個時鐘周期完成了多個指令

但即使有流水線設計，在指令執行階段，處理器有些區域還是可能會空閑
比如，執行一個“從記憶體取值”指令期間，ALU會閑置，所以一次性處理多條指令（取指令+解碼）會更好

超級計算機，中國的“神威 太湖之光”
有40960個CPU，每個CPU有256個核心

10.早期的編程方式

給機器編程的需求遠在計算機出現前就有了

例如如果你只想織一塊紅色大桌布，可以直接放紅線進織布機，但如果是圖案，工人則要每隔一會兒，調整一次織布機，因此非常消耗勞動力，導致圖案紡織品很貴

由此約瑟夫·瑪麗·雅卡爾 發明了可編程紡織機，于1801年首次亮相
每一行的圖案由可穿孔紙卡決定，特定位置有沒有穿孔，決定了線是高是低

打孔紙卡–Punched card，便宜、可靠、也易懂
并且在1890年用于美國人口普查

插線板–Plugboard
插線板不同意味著執行不同的程式，比如一個插線板算銷售稅，另一個算工資單
但插線板十分復雜，而人們急需更快、更靈活的新方式來編程

馮諾依曼架構
程式和資料都存在這里
馮諾依曼計算機的標志是：一個處理器（有算術邏輯單元）+資料暫存器+指令暫存器+指令地址暫存器+記憶體（負責存資料和指令）

面板編程
比起插線板用到大量的線，面板編程可以用一大堆開關和按鈕，做到相同的效果

第一款取得商業成功的家用計算機Altair 8800

編程依然很困難，人們需要更友好更簡單的方式編程–編程語言