计算机科学速成课
2022.12.27
b站 【计算机科学速成课】[40集全/精校] - Crash Course Computer Science
网友的笔记：https://shimo.im/docs/vkCKkj3YxGtygrVg/read 、 https://shimo.im/docs/PJAUY30F1uYksv0h/read 、https://www.processon.com/view/link/61ef6e8f0e3e7439ae917672#map
5.算术逻辑单元 ALU
8位行波进位加法器 8-bit ripple carry adder
加法时，A和B的每一位分别相加，输出sum和carry进位数，进位数再后面的A和B的位相加（通过full adder），输出sum和carry进位数。
half adder、full adder都是由逻辑门构成（电流来控制不同的输出，电流作用类似开关）
现在计算机不用这个8位行波进位加法器，而是用“超前进位加法器” carry-look-ahead adder
寄存器 & 内存-Registers and RAM
把输出接回输入，当输入A输入1时，输出为1，接回来B也是1，输出1。之后如果A输入0，输出还是1，变得不管A是0或1，输出都是1。
存储memory ，and-or 锁存器，锁存，因为它“锁定”（latch）了一个值
一串锁存器组成寄存器register。
用矩阵（行、列）排列锁存器。对于256位的存储，只要35条线，即一条“数据线”，一条“允许写入线”，一条“允许读取线”，还有16行16列的线用于选择锁存器（16+16+3=35）。
因此4位表示行地址，4位表示列地址，就能得到某个锁存器的地址了。
实现的方法是通过 多路复用器 multiplexer。
内存的一个重要特性是：可以随时访问任何位置，因此叫“随机存取存储器”，简称 RAM（random-access memory）
7. 中央处理器(CPU)-The Central Processing Unit
指令地址寄存器：一个寄存器追踪程序运行到哪里了，存当前指令的内存地址。
指令寄存器：一个寄存器存当前指令。
8. 指令和程序-Instructions & Programs
指令，就是程序的一条条命令，从第一条开始执行，比如把第一条指令里面的地址内容放到寄存器A，或者add，或者jump到某个指令，停止halt。
9. 高级CPU设计-Advanced CPU Designs
指令集，就是类似jump等指令的集合，是固定数量的，如果不同cpu都有一份指令集，不同cpu要兼容各个指令集，指令数量就会越来越多。
即使cpu时钟很高可以处理指令很快，但是ram存储器和cpu交互、传输的数据线（叫 总线 bus）可能传输得不够快，有延迟。因此用到了“缓存”cache。
先把ram内存的一批地址的数据复制到cpu的缓存里。
当缓存里的数和ram的同一个地址的内容不一致时，要记录下来，以便于后续ram的同步。因此缓存里每块空间都有一个特殊标记，叫“脏位”dirty bit。
同步一般发生在缓存满了，cpu要新的地址内容（缓存里没有）时，在清理缓存腾出空间之前，会先检查脏位。如果是脏的，在加载新内容之前，会把数据写回ram。
指令流水线 instruction pipeline
乱序执行 out-of-order execution：解决指令之间的依赖关系（举例子：你在读某个数据，正在执行的指令会改这个数据，变成拿的旧数据了）。因此要动态排序有依赖关系的指令，以达到最小化流水线的时间。
分支预测 branch prediction：解决条件跳转（conditional jump instruction）（比如jump negative等指令）造成cpu空等的时间（cpu空等因为要等条件跳转的结果出来（结果是可能会跳转，也可能不会跳转））。jump想成“岔路口”branch，cpu会猜哪条路的可能性大一点，然后提前把指令放进流水线，这叫“推测执行”spectaculative execution。当jump的结果出了，cpu猜对的话，流水线已经塞满正确指令，可以马上执行（就没有延迟了），猜错了，就要清空流水线 pipeline flush，就像走错路掉头。这种猜测哪条分支更有可能的方法叫分支预测。
超标量处理器 superscalar 一个时钟周期完成多个指令。
超级计算机 supercomputer 很多个cpu组成。