计算机最早提高性能的方法

计算机基础课第 22 期分享

转载请联系授权（微信ID：qianpangzi0206）

01 早期计算机的提速方式

随着本系列进展，我们知道计算机进步巨大,从 1 秒 1 次运算，到现在有千赫甚至兆赫的CPU，这是很大的计算量。

早期计算机的提速方式是减少晶体管的切换时间。晶体管组成了逻辑门，ALU 以及前面的其他组件。但这种提速方法最终会碰到瓶颈，所以处理器厂商，发明各种新技术来提升性能，不但让简单指令运行更快，也让它能进行更复杂的运算。

上节我们写了个做除法的程序，给 CPU 执行，方法是做一连串减法，比如16除4 会变成16-4 -4 -4 -4，碰到 0 或负数才停下。但这种方法要多个时钟周期，很低效。

所以现代 CPU 直接在硬件层面设计了除法，可以直接给 ALU 除法指令，这让 ALU 更大也更复杂一些。

复杂度 vs 速度的平衡在计算机发展史上经常出现。

举例，现代处理器有专门电路来处理图形操作, 解码压缩视频, 加密文档等等，如果用标准操作来实现，要很多个时钟周期。你可能听过某些处理器有 MMX, 3DNOW, SEE。它们有额外电路做更复杂的操作，用于游戏和加密等场景。

指令不断增加，人们一旦习惯了它的便利就很难删掉。所以为了兼容旧指令集，指令数量越来越多。英特尔 4004，第一个集成CPU，有 46 条指令，足够做一台能用的计算机，但现代处理器有上千条指令，有各种巧妙复杂的电路。

超高的时钟速度带来另一个问题，如何快速传递数据给 CPU。就像有强大的蒸汽机但无法快速加煤，RAM 成了瓶颈。RAM 是 CPU 之外的独立组件，意味着数据要用线来传递，叫"总线"。总线可能只有几厘米，别忘了电信号的传输接近光速。

但 CPU 每秒可以处理上亿条指令，很小的延迟也会造成问题，RAM 还需要时间找地址，取数据，配置，输出数据。一条"从内存读数据"的指令可能要多个时钟周期，CPU 空等数据。

解决延迟的方法之一是给 CPU 加一点 RAM - 叫"缓存"，因为处理器里空间不大，所以缓存一般只有 KB 或 MB。而 RAM 都是 GB 起步，缓存提高了速度。

CPU 从 RAM 拿数据时，RAM 不用传一个，可以传一批。虽然花的时间久一点，但数据可以存在缓存，这很实用，因为数据常常是一个个按顺序处理。

举个例子，算餐厅的当日收入，先取 RAM 地址 100 的交易额，RAM 与其只给1个值，直接给一批值，把地址100到200都复制到缓存。当处理器要下一个交易额时，地址 101，缓存会说："我已经有了，现在就给你"。不用去 RAM 取数据。

因为缓存离 CPU 近, 一个时钟周期就能给数据 - CPU 不用空等，比反复去 RAM 拿数据快得多，如果想要的数据已经在缓存，叫缓存命中，如果想要的数据不在缓存，叫缓存未命中。

缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。

继续餐馆的例子，假设 CPU 算完了一天的销售额，想把结果存到地址 150，就像之前，数据不是直接存到 RAM，而是存在缓存。这样不但存起来快一些，如果还要接着算，取值也快一些。

但这样带来了一个有趣的问题，缓存和 RAM 不一致了。这种不一致必须记录下来，之后要同步。因此缓存里每块空间有一个特殊标记叫 "脏位"。这可能是计算机科学家取的最贴切的名字。

同步一般发生在当缓存满了而 CPU 又要缓存时，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。

明天继续另一种提升性能的方法。

相关阅读：