9.高级CPU设计
0、概念梳理
- 缓存：在CPU中的小块RAM，用于存储批量指令。
- 缓存命中：想要的数据已经在缓存里
- 缓存未命中：想要的数据不在缓存里
- 脏位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫脏位，用于检测缓存内的数据是否与RAM一致。
- 多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。
- 总线bus:cpu和内存之间的传输线,成为瓶颈了,就需要缓存
1、现代CPU如何提升性能：
早期通过加快晶体管速度，来提升CPU速度。但很快该方法到达了极限。
后来给CPU设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏，视频解码,加密,图形2、缓存：
为了不让CPU空等数据，在CPU内部设置了一小块内存，称为缓存，让RAM可以一次传输一批数据到CPU中。（不加缓存，CPU没位置放大量数据）
缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。
空等原因：从RAM到CPU的数据传输有延迟（要通过总线，RAM还要时间找地址、取数据、配置、输出数据）。3、缓存同步：
缓存同步一般发生在CPU缓存已满，但CPU仍需往缓存内输入数据。此时，被标记为脏位的数据会优先传输回RAM,腾出位置以防被覆盖，导致计算结果有误。4、指令流水线：
作用：让取址→解码→执行三个步骤同时进行,这3个步骤用的是cpu的不同部门。并行执行指令，提升CPU性能。
原本需要3个时钟周期执行1个指令，现在只需要1个时钟周期。
设计难点：
- 指令(数据)具有依赖性
- 停止流水线等待
- 动态排序依赖的指令(乱序运行)比较高级
- 条件跳转
- 预测分支（高端CPU）
5、一次性处理多条指令
超标量处理器
设计目的:一次性处理多条指令（取指令+解码） 会更好,多条指令要 ALU 的不同部分，就多条同时执行
再进一步，加多几个相同的电路执行出现频次很高的指令,比如很多 CPU 有四个, 八个甚至更多 完全相同的ALU
6、同时运行多个指令流（多核CPU）
多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。
共享缓存->多核合作运算
7、超级计算机（多个CPU）
在一台计算机中，用无数个CPU，做怪兽级的复杂运算，如模拟宇宙形成。
40960个cpu256核心1.45GHhz->
9.3 亿亿次浮点数运算
10.早期的编程方式
1、早期，程序如何进入计算机
程序必须人为地输入计算机。早期，电脑无内存的概念，人们通过打孔纸卡等物理手段，输入数据（数字），进入计算机。
2、早期计算机的编程
- 打孔纸卡/纸带：在纸卡上打孔，用读卡器读取连通电路，进行编程。原因，穿孔纸卡便宜、可靠也易懂。62500张纸卡=5MB数据
- 插线板：通过插拔线路的方式，改变器件之间的连接方式，进行编程。
- 面板拨开关（1980s前）：通过拨动面板上的开关，进行编程。输入二进制操作码，按存储按钮，推进至下一个内存位，直至操作完内存，按运行键执行程序。（内存式电脑）
3、现代计算机基础结构——冯诺依曼计算机
冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存简单来说
就是指令+数据=程序呗11.编程语言发展史
0、概念梳理
伪代码：用自然语言（中文、英语等）对程序的高层次描述，称为“伪代码”
汇编器：用于将汇编语言装换成机器语言。一条汇编语句对应一条机器指令。
助记符（汇编器）：每个操作码分配一个简单名字1、早期二进制写代码
计算机能处理二进制,也只能处理二进制
先前都是硬件层面的编程，硬件编程非常麻烦，所以程序员想要一种更通用的编程方法，就是软件。
早期，人们先在纸上写伪代码，用”操作码表”把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后，程序可以喂入计算机并运行。2、汇编器Assembler&助记符
背景：1940~1950s，程序员开发出一种新语言， 更可读 更高层次。每个操作码分配一个简单名字，叫”助记符”。但计算机不能读懂“助记符”，因此人们写了二进制程序“汇编器来帮忙”
作用：汇编器读取用”汇编语言”写的程序，然后转成”机器码”。
有一个很好用的功能:自动分析 JUMP 地址,加一个标签,就不会改很多代码,屏蔽底层细节3、最早高级编程语言“A-0”
汇编只是修饰了一下机器码，一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令，所以汇编码和底层硬件的连接很紧密，汇编器仍然强迫程序员思考底层逻辑。
1950s，为释放超算潜力，葛丽丝·霍普博士，设计了一个高级编程语言，叫 “Arithmetic Language Version 0”，一行高级编程语言 可以转成几十条二进制指令。但由于当时人们认为，计算机只能做计算，而不能做程序，A-0未被广泛使用。
过程：高级编程语言→编译器→汇编码/机器码
4、开始广泛应用的高级编程语言FORTRAN
1957年由IBM1957年发布，平均来说，FORTRAN 写的程序，比等同的手写汇编代码短 20 倍， FORTRAN 编译器会把代码转成机器码。
5、通用编程语言——COBOL
1959年，研发可以在不同机器上通用编程语言。
最后研发出一门高级语言：”普通面向商业语言”，简称 COBOL
每个计算架构需要一个 COBOL 编译器，不管是什么电脑都可以运行相同的代码，得到相同结果。 write once, run anywhere.
6、现代编程语言:1960s-2000
1960s起，编程语言设计进入黄金时代。
1960 ：LGOL, LISP 和 BASIC 等语言
70年代有：Pascal，C 和 Smalltalk
80年代有：C++，Objective-C 和 Perl
90年代有：Python，Ruby 和 Java
新千年 Swift, C#, Go
*7、安全漏洞&补丁由来：
在1940年代，是用打孔纸带进行的，但程序出现了问题（也就是漏洞），为了节约时间，只能贴上胶带也就是打补丁来填补空隙，漏洞和补丁因此得名。
12. 编程原理-语句和函数
语法syntax
- assignment statement赋值语句 a=1
- Control Flow Statements.控制流语句(Conditional Statements.) if
- conditional loop 条件循环 while for循环
函数
还可以函数调用函数
函数不超过100行
模块化编程->现代
常用函数集合->库 网络 图像 音乐13.算法入门
算法概念:解决问题的具体步骤
排序的基础算法:选择排序O(n2),归并排序O(n*log n)
算法复杂度:算法的输入大小和运行步骤之间的关系,表示运行速度的量级
图搜索:
暴力法:O(n!)
Dijkstra算法:O(n2) ->改进O(n log n+1)
精華总结:根据情况合理决定 用现有算法 还是自己写新算法14.数据结构
数组
数组存储在内存的结构
取数据:查到起始位置,加上偏移量,bingo
类库包含了数组的排序
字符串也是数组一种,最后一个是截止符
数组还可以扩展成多维数组
特点:数组的大小是固定的,无法动态改变,插入比较麻烦结构体
概念:多个变量打包在一起
可以把结构体弄成数组
比如User[]=[{no:1,age:18},{no:2,age:22}]链表
基本单位:
一个叫做节点(node)的结构体,一个变量存值,另一个变量存储下一个的地址
class Node{
Integer value;
Long nextAddress;
}
抽象成
插入,删除方便,容易重新排序,两端缩减,分隔,倒序队列
FIFO先进先出
基于链表栈
基于链表
LIFO后进先出树
链表2个指针就是简单树
图
也可以由链表构成总结
选择正确数据结构会让工作更简单,所以花时间考虑用什么数据结构是值得的
大多数编程语言自带了预先做好的数据结构,关键在于选择15.阿兰图灵
图灵完备:强大的计算机,图灵机是很强大的计算模型问题1
是否存在一种算法，输入正式逻辑语句,输出准确的”是”或”否”答案？
答案:不存在
原因:
提出了一种假想的计算机，现在叫”图灵机”,图灵机是一台理论计算设备,还有一个状态变量，保存当前状态,还有一组规则，描述机器做什么,规则是根据 当前状态+读写头看到的符号，决定机器做什么,结果可能是在纸带写入一个符号,或改变状态，或把读写头移动一格,或执行这些动作的组合,
比如:读一个以零结尾的字符串,并计算1的出现次数是不是偶数,这个是可以计算的,只要有足够的规则,状态和纸带 可以创造任何东西
推论:有没有办法在不执行的情况，弄清会不会停机?所以在运行前知道 会不会出结果很有用
想象有一个假想图灵机， 输入：问题的描述 + 纸带的数据 输出 Yes 代表会”停机”，输出 No 代表不会
如果有个程序， H 无法判断是否会”停机”,意味着”停机问题”无法解决
为了找到这样的程序，图灵用 H 设计了另一个图灵机
如果 H 说程序会”停机”，那么新机器会永远运行（即不会停机）,如果 H 的结果为 No，代表不会停机,那么让新机器输出 No，然后”停机”,实质上是一台和 H 输出相反的机器,叫做异魔,如果把 异魔 的描述，作为本身的输入会怎样
但如果 H 说异魔会停机,那么异魔会进入无限循环，因此不会停机
如果 H 说异魔不会停机，那么异魔会输出 No 然后停机
所以 H 不能正确判定 停机问题,因为没有答案
结论:
丘奇和图灵证明了计算机的能力有极限,无论有多少时间或内存，有些问题是计算机无法解决的
工作
提出人工智能
图灵测试:
想像你在和两个人沟通 不用嘴或面对面，而是来回发消息,可以问任何问题，然后会收到回答,但其中一个是计算机,如果你分不出哪个是人类，哪个是计算机,那么计算机就通过了图灵测试
“公开全自动图灵测试，用于区分计算机和人类” 简称”验证码” 防止机器人发垃圾信息等
16.软件工程
将方法放在对象里面
对象可以在拥有自己的变量和方法,还有属性
面向对象编程-封装组件，隐藏复杂度
辅助:接口api和文档帮助调用者快速理解,也便于自己整理,IDE其他工具啥的
封装继承多态
debug,注释,版本控制svn git,测试
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