计组学习笔记0
计算机软件
系统软件
- 操作系统：硬件资源管理，用户接口
- 语言处理系统：翻译程序+链接器，调试器等
- 翻译程序
- 汇编程序：汇编语言源程序->机器语言程序，如MASM、NASM
- 编译程序：高级语言源程序->汇编/机器语言程序，如GCC、Clang
- 解释程序：将高级语言语句逐条翻译成机器语言并执行，不生成目标文件，如Python解释器
- 其他程序，如：磁盘碎片整理、备份程序等
应用软件
- 各类媒体处理程序：Word/Image/Video等
- 管理信息系统
- 游戏等
计算机系统层次结构
软硬件的界面是指令集体系结构，即 ISA
早期
- 第一代：只提供了指令集，应用程序必须使用指令集编写程序
- 第二代：提供了操作系统和汇编程序，应用程序可以使用汇编语言编写程序
现代
- 第三代程序设计语言：过程式语言，编写代码需要描述实现过程，即如何做
- 第四代程序设计语言：非过程是语言，编码时只需要说明做什么，不需要描述细节
抽象层的转换
功能转换：上层是下层的抽象，下层是上层的实现，底层为上层提供服务/支撑环境
程序执行的结果取决于算法、程序、语言处理系统、操作系统、ISA、微体系结构等
Amdahl定律
加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
加速比公式 \[ 加速比=\frac{系统性能_{改进后}}{系统性能_{改进前}}=\frac{总执行时间_{改进前}}{总执行时间_{改进后}} \] 加速比依赖于以下两个因素：
- 可改进比例：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总执行时间中所占比例
- 部件加速比：可改进部分改进后性能提高的倍数，是改进前所需时间和改进后执行时间的比
一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么这个比例就是20/60
若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒，而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2
改进后的总执行时间： \[ 总执行时间_{改进后} = (1 - 可改进比例) \times 总执行时间_{改进前} + \frac{可改进比例 \times 总执行时间_{改进前}}{部件加速比} \\ = [(1 - 可改进比例 + \frac{可改进比例}{部件加速比}) \times 总执行时间_{改进前}] \] 系统加速比： \[ 加速比 = \frac{总执行时间_{改进前}}{总执行时间_{改进后}} = \frac{1}{(1 - 可改进比例 + \frac{可改进比例}{部件加速比})} \]
Amdahl定律的启示
如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。
也就是说存在边际效益递减
如果只针对整个任务的一部分进行改进和优化，那么所获得的加速比不超过 \(\frac{1}{可改进比例}\)
计算机系统性能评测
执行时间和吞吐率
用户关心的是：单个程序的执行时间（执行单个程序所花的时间很少）
数据处理中心的管理员关心的是吞吐率（在单位时间里能够完成的任务很多 ）
用户感觉到的时间实际上是响应时间
响应时间：表示完成某项任务所需的总时间，包括了磁盘访问、内存访问、内存活动和操作系统开销等一切时间
CPU时间：CPU执行所给定的程序所花费的时间，包含I/O等待时间和其他程序的时间。包括两个部分，分别是：
- 用户CPU时间：用来运行用户代码的时间
- 系统CPU时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间
CPU 性能公式
\[ CPU 执行时间 = 程序时钟周期数 \times 时钟周期长度 \\ = 程序的时钟周期数 \div 时钟频率 \]
指令性能
指令的性能通过指令平均时钟周期数 CPI 来衡量 \[ CPI = 程序的时钟周期数 \div IC \] IC 是执行的指令条数
那么 CPU 性能公式可以改写为： \[ CPU 时间 = IC \times CPI \times T \] 这里的：
IC取决于指令集结构、编译技术、编程技术CPI取决于指令集结构、计算机组成、编译技术和编程技术T取决于计算机组成和硬件实现技术
指令性能
假设系统有 \(n\) 类指令，第 \(i\) 类指令的指令数和 CPI 分别为 \(IC_i\) 和 \(CPI_i\)，则程序的总时钟周期数为： \[ CPU 执行时间 = 时钟周数 \times 时钟周期时间 \\ = \sum_{i=1}^{n} (IC_i \times CPI_i) \times T \] 这里 CPI 可以表示为： \[ CPI = = \frac{时钟周期数}{IC} = \sum_{i=1}^{n} (CPI_i \times \frac{IC_i}{IC}) \] 其中 \(\frac{IC_i}{IC}\) 反映了第 \(i\) 类指令在程序中所占的比例
功耗
功耗是 CPU 性能的一部分，并且越来越重要，一般来说，Intel 的 CPU功耗高，而 ARM 的 CPU 功耗低
集成电路的主流技术是 CMOS，能耗主要来源是动态能耗
动态能耗可以表示为 \[ 能耗 \propto 负载电容 \times 电压^2 \\ 功耗 \propto \frac{1}{2} \times 电压^2 \times 开关频率 \]
产品指标
通常用 MIPS（每秒百万条指令）来衡量 CPU 的性能，MIPS 可以表示为： \[ MIPS = \frac{指令数}{执行时间 \times 10^6} \] MIPS 通常是平均值，原因如下：
- 不同机器的指令集不同
- 程序由不同的指令混合而成
- 指令使用的频度动态变化
MIPS 数不能说明性能的好坏
能耗比
\[ 能耗比 = \frac{1}{执行时间 \times 能耗} \]
数据的机器级表示
常用的数值数据的表示不再赘述，包含 BCD 等基础编码
逻辑数据的表示
逻辑数据的表示通常使用布尔代数，布尔代数中的变量只能取两个值：真（True）和假（False）。在计算机中，通常用 1 表示真，0 表示假。
比如 x86 中标志寄存器 FLAG 中的每一位都表示一个特定的状态，如零标志（ZF）、进位标志（CF）等，这些标志位可以用来控制程序的流程。
西文字符
传统上，所有字符总数不超过128个(7位ASCII)或256个(8位扩展ASCII)，分别使用7位或8位二进制表示
- 10进制数字：0/1/2…/9
- 英文字母 ： A/B/…/Z/a/b/…/z
- 专用符号 ： +/-/%/*/&/……
- 控制符号(不可打印或显示) ：
七位 ASCII 使用7比特二进制编码，定义128个字符
八位 ASCII 前128个字符(0~127)与7位ASCII完全相同，后128个字符为扩展部分。增加了特殊符号、带音标字母、图形字母和非英语西文字符
具体字符集因编码标准而异:
ISO 8859-1：西欧扩展语言，支持带音标的字母(ä、ö)；
Code Page 437：IBM PC的默认扩展ASCII，含框线字符(┌、└)
同一个代码值(如128)在不同系统中可能代表不同字符
汉字
GB2312(1980年)：收录6763个汉字，覆盖简体中文；
GBK(1995年) ： 扩展到21886个字符，包括简体和部分繁体字；
Unicode(最新版本16.0, 2024年)：收录超过97000个汉字(CJK统一汉字区)，包括简体、繁体和日韩汉字。
汉字的编码形式主要可以分为以下几类，分别应用于不同的场景：
汉字输入码（外码）
用于在计算机上输入汉字，是用户通过键盘输入的编码
- 音码：基于汉字的读音，如全拼、双拼、搜狗拼音等。
- 形码：基于汉字的字形结构，如五笔字型、郑码等。
- 音形码：结合了字音和字形，如自然码。
汉字交换码
用于不同计算机系统或设备之间进行汉字信息交换的编码，要求统一标准
- GB2312-80：中国国家标准简体中文字符集，包含6763个常用汉字。
- ① 字母、数字和各种符号，包括英文、俄文、日文平假名与片假名、罗马字母、汉语拼音等，共682个（常记为687个）。
- ② 一级常用汉字，共3,755个，按汉语拼音排列。
- ③ 二级常用汉字，共3,008个，不太常用，按偏旁部首排列。
- GBK：GB2312的扩展，包含了更多的简体字、繁体字及符号，向下兼容GB2312。
- GB18030：最新的国家标准，支持中日韩统一表意文字（CJK）字符，兼容GBK。
- BIG5：繁体中文字符集标准，主要在台湾、香港等地使用。
汉字区位码
码表由94行、94列组成，行号为区号，列号为位号
以十进制表示汉字在码表中的位置，区号在前，位号在后（如1601）
汉字国标码
每个汉字的区号和位号各自加上32（0x20），得到其国标码。
国标码用2字节表示，每字节7位有效位（范围33-126），高位补0构成8位
汉字机内码（内码）
计算机系统内部处理和存储汉字时使用的编码。为了区分汉字与ASCII码（西文字符），通常将交换码的每个字节的最高位设为1（高位为1的字节），或者在国标码的基础上加上特定数值（如8080H或A0A0H）形成
有时会把国标码+0x8080
汉字字形码（字模码）
用于在显示器或打印机上输出汉字。它描述了汉字的具体形状
- 点阵字形：用黑白像素点阵来表示汉字，如16×16、24×24点阵。优点是显示速度快，缺点是缩放时会产生锯齿。
- 矢量字形：用数学曲线（如贝塞尔曲线）来描述汉字的轮廓。优点是缩放平滑不失真，如TrueType字体。
国际字符集
为实现国际字符互换，必须创建涵盖所有字符的统一多字符集
- 国际多字符集（如 ISO/IEC 10646 和 Unicode）的核心思想：通过为所有字符分配唯一的编码（码点），实现跨地区字符的统一表示，目标是涵盖所有书面语言的字符。
早期提供 UCS-4（4字节）和 UCS-2（2字节），现演进为 UTF-32 和 UTF-16
- CJK（Chinese, Japanese, Korean）是ISO/IEC 10646和Unicode中的一个重要部分，由中、日、韩等国合作制定，统一汉字编码，避免重复。
收集了中、日、韩共20,902个常用汉字，采用2字节UCS-2编码，纳入国家标准GB13000，后续扩展超9万字。
- Windows（从Windows NT开始，尤其是中文版）采用Unicode作为内部编码，支持CJK汉字。
早期使用UCS-2，收录BMP内的20,902个CJK汉字，现使用UTF-16支持更多字符。
数据的宽度和存储
比特、字节、字、双子、四字略
字长
字长是定点运算数据通路的宽度
数据通路指CPU内部数据流经的路径以及路径上的部件，主要是CPU内部进行数据运算、存储和传送的部件，这些部件的宽度基本上要一致，才能相互匹配。因此，字长等于CPU内部总线的宽度、运算器的位数、通用寄存器的宽度等
数据类型存储在不同机器上的不同，大端小端双端，略
字节交换是由于端序不一致导致的多字节数据解释错误
字节对齐
计算机理论上可以从任意地址访问基本数据类型，但实际上计算机通常以2、4或8字节的块读写内存，以提高效率
各种数据类型需按一定规则在内存中排列，这就是字节对齐。未对齐可能导致性能下降或硬件异常
对齐准则：
- 准则1：结构体变量的首地址必须是其最大对齐要求的整数倍；
- 准则2：结构体每个成员相对首地址的偏移量是其对齐要求的整数倍。如不满足，在前一成员后填充字节；
- 准则3：结构体的总大小是其最大对齐要求的整数倍。如不满足，在末尾填充字节。