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作者：老劉
上帝為你關(guān)閉了一扇門，就一定會(huì)為你打開一扇窗我是CPU, 他們都叫我阿甘， 因?yàn)槲液汀栋⒏收齻鳌防锏陌⒏室粯樱? 有點(diǎn)傻里傻氣的。上帝把我制造出來， 給我了一個(gè)很小的腦容量， 為數(shù)不多的寄存器能臨時(shí)的記一點(diǎn)東西， 但是上帝給我打開了一扇特別的窗戶， 那就是像阿甘一樣，跑的飛快。到底有多快呢？ 我這么比喻一下吧， 我的工作都是以納秒為單位的， 你們?nèi)碎g的一秒， 我可能已經(jīng)做了1000,000,000 （10億）次動(dòng)作了。相比而言， 內(nèi)存比我慢100倍， 硬盤比我慢1000多萬倍， 你說我快不快？我住在一個(gè)機(jī)箱里，每天早上一陣電流把我叫醒， 還夾雜著嗡嗡的聲音， 我知道我忠實(shí)的護(hù)衛(wèi)電風(fēng)扇又開始工作了， 我特別怕熱， 又運(yùn)行的飛快， 如果沒有電風(fēng)扇給我降溫， 我很快就會(huì)生病， 生病的后果很嚴(yán)重， 那就是我的伙伴們像內(nèi)存了，硬盤了。。全部都要罷工了， 沒有我這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)陷入的一片死寂。我聽說有些CPU的福利很好，竟然待在恒溫恒濕，一塵不染的托管機(jī)房里，讓我好生羨慕。我的腦容量很小， 所以醒來后只想起了我的創(chuàng)造者告訴我的幾件事情 ：2. 你不能保存指令， 你的指令全在內(nèi)存里3. 你的第一條指令在內(nèi)存的最頂端處0xFFFFFFF0那還有什么可說的， 趕緊打電話給內(nèi)存要指令，電話通過系統(tǒng)總線， 還得通過I/O橋電話局需要轉(zhuǎn)接一下， 再通過存儲(chǔ)總線接通 內(nèi)存。 '哥們， 把這個(gè)地址處的指令給我說一下吧''你是誰？' 內(nèi)存竟然把我忘了， 當(dāng)然，他斷了電和我一樣，失憶了。'我是阿甘啊， 我們經(jīng)常聊天來著， 你忘了？'內(nèi)存磨磨唧唧半天才把數(shù)據(jù)發(fā)了過來（比我慢100倍?。?這是一條跳轉(zhuǎn)指令， 我立刻回憶起來了， 這是我的老朋友BIOS 等著我去運(yùn)行他那一堆指令呢。我給BIOS打電話: “老弟，今天干點(diǎn)啥？”“阿甘，早上好 ' BIOS從不失憶，把所有人都記得清清楚楚 “ 還不是老一套啊，無非做一下系統(tǒng)的自檢， 看看內(nèi)存，硬盤，顯卡等這些老伙計(jì)們有沒有問題， 有問題的話用小喇叭提示一下主人 ”這些過程我已經(jīng)輕車熟路了， 很快搞定， 像往常一樣，沒有問題， 我還把一個(gè)叫做中斷向量表的東西給弄好了， 我知道一會(huì)而要用這些東西都搞完了，BIOS果然告訴: '阿甘， int 0x19'我趕緊去剛弄好的中斷向量表中去查第19號(hào)， 順藤摸瓜又找到對(duì)應(yīng)0x19的一大堆指令。執(zhí)行吧， 這堆指令把將磁盤的第一扇區(qū)（磁盤最開始的512字節(jié)）運(yùn)到內(nèi)存的0X0000:0X7C00處，然后我就從此處接著執(zhí)行。我想起來了， 接下來有一大堆精巧的指令把迷迷糊糊的操作系統(tǒng)從硬盤中喚醒， 運(yùn)輸?shù)絻?nèi)存中來。(此處實(shí)在是復(fù)雜， 略去10萬字。。。。)你看這就是為啥他們叫我阿甘， 我做事飛快，但非得別人告訴去哪里執(zhí)行才行， 要不然我就只會(huì)坐在那里無所適從。操作系統(tǒng)一旦進(jìn)入內(nèi)存，立刻就是老大， 所有人都得聽他指揮。我也發(fā)現(xiàn)我的周圍出現(xiàn)了一個(gè)屋子：進(jìn)程屋屋里堆著一大堆東西， 什么進(jìn)程描述信息包裹了， 進(jìn)程控制信息包裹了， 我都不太關(guān)心， 我只關(guān)心最最重要的兩件東西：1. 我工作必備的寄存器， 就放在我面前的工作臺(tái)上。2. 程序計(jì)數(shù)器， 我用它記住我要執(zhí)行的下一條指令地址。'阿甘， 別來無恙啊' , 操作系統(tǒng)對(duì)我還是挺不錯(cuò)的， 先給我打招呼。'Linux老大， 今天有什么活啊'， 我每次都表現(xiàn)的積極主動(dòng)。'來，把這個(gè)hello world 程序給運(yùn)行了'Hello world 程序還在硬盤上睡著呢， 得先把他也裝載到內(nèi)存里， 要不然我怎么執(zhí)行啊。于是我就拿起電話打給硬盤， 電話通過系統(tǒng)總線來到IO橋電話局， 再轉(zhuǎn)接到IO總線，這才來到硬盤這里。 我在電話里請(qǐng)他把數(shù)據(jù)給我運(yùn)過來， 然后我就無所事事的坐在那里等。Linux 老大立刻就怒了 ： 阿甘， 告訴你多少次了， 你小子怎么還在等硬盤給你發(fā)數(shù)據(jù)！是的， 我忘了一件事，硬盤比我慢太多了， 我執(zhí)行一條指令大概是1ns ，在用來讀磁盤的16ms里， 我能潛在的執(zhí)行1600多萬條指令啊。我感到深深的愧疚， 趕緊拿起電話打給硬盤 ： 哥們， 按我們之前商量好的，用直接內(nèi)存訪問（DMA）啊， 你直接把數(shù)據(jù)裝載到內(nèi)存吧， 不用經(jīng)過我了， 裝載完成以后給我發(fā)個(gè)信號(hào)。“阿甘，數(shù)據(jù)還沒來， 別閑著， 這有一個(gè)菲波那切數(shù)列數(shù)列， 來算一下吧”'肥波納妾數(shù)列? 這名字好古怪，老大， 其實(shí)你也知道， 我腦子小，懶得去理解那是啥意思， 你把進(jìn)程屋切換下，把程序計(jì)數(shù)器設(shè)置好，指向下一條指令， 我一條條指令執(zhí)行就得了“ 我挺沒追求的。我所處的進(jìn)程屋立刻發(fā)生了變化（當(dāng)然，這也是我輔助Linux老大干的）， 各種包裹的信息都變了， 尤其是寄存器和程序計(jì)數(shù)器。于是我就開始計(jì)算這個(gè)什么納妾數(shù)列 ，但是這個(gè)數(shù)列似乎無窮無盡， 哪個(gè)無腦子的程序員寫了個(gè)無限循環(huán)吧。正在這時(shí)， 我便收到了一個(gè)電話， 說是Helloworld的數(shù)據(jù)已經(jīng)裝載到內(nèi)存了， 讓我去處理。我放下手中的活， 保存好現(xiàn)場(chǎng)， 就去處理那個(gè)Helloworld, 果然數(shù)據(jù)已經(jīng)都好了， 那就切換過去運(yùn)行吧。其實(shí)老大并不知道， 任何人，只要你運(yùn)行了相當(dāng)多的數(shù)量的指令以后， 你都能悟到這些程序的秘密。 我CPU阿甘雖然傻傻的， 但也架不住執(zhí)行這數(shù)以萬萬億的指令給我的熏陶啊。這個(gè)秘密就是：程序都是由順序，分支，循環(huán)來組成的。 其實(shí)分支和循環(huán)在我看來都是跳轉(zhuǎn)而已。所以我的工作就是打電話問內(nèi)存要一條指令， 執(zhí)行這個(gè)指令， 如果是個(gè)跳轉(zhuǎn)指令的話，我就問內(nèi)存要跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址的那一條指令， 繼續(xù)執(zhí)行， 生活就是這么簡(jiǎn)單。奧對(duì)了， 當(dāng)然也有復(fù)雜的， 就是函數(shù)調(diào)用， 我得和內(nèi)存緊密配合才能完成。 這個(gè)咱下回再說。提到內(nèi)存， 這真是我的好哥們， 沒有他，我?guī)缀跏裁词聝憾几刹怀桑?更重要的是他比硬盤快的多， 讀取一次數(shù)據(jù)， 只需要 100 納秒左右。 這樣我們倆說起話來就輕松多了。每次他都說： '阿甘， 幸虧有你給我聊天， 要不然我肯定被活活的悶死不可， 那個(gè)硬盤說話是在太慢了''硬盤是個(gè)機(jī)械是的玩意， 一個(gè)磁頭在一碟高速旋轉(zhuǎn)的磁片上挪來挪去，光定位就慢死了''人家雖然慢， 但是不怕停電， 哪像你和我，一停電全部都失去記憶了。'我的指令中有些完全用我的寄存器就能完成， 但是有很多都需要讀寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)， 再加上所有的指令都在內(nèi)存中存著， 雖然它只比我慢個(gè)100倍， 但指令多了我還是有點(diǎn)受不了。我給內(nèi)存說：'哥們， 你能不能再快點(diǎn)！'內(nèi)存說： 拜托， 這已經(jīng)是我的極限了， 阿甘， 你自己再想想辦法吧 ！ 我給你說啊， 我留意了你最近訪問的指令和數(shù)據(jù)， 我發(fā)現(xiàn)了個(gè)規(guī)律“'比如說吧， 你訪問了我一個(gè)內(nèi)存位置以后過不多久還會(huì)多次訪問， 還有，一個(gè)內(nèi)存位置被訪問了， 附近的位置很快也會(huì)訪問到'（碼農(nóng)翻身注： 這其實(shí)叫程序的局部性原理）我還以為是啥規(guī)律， 其實(shí)我早就注意到了。'既然你經(jīng)常訪問同一塊區(qū)域的東西， 你想想如果把這些東西緩存在你那里會(huì)怎么樣.... '從此以后，我每次讀寫指令和數(shù)據(jù)， 都問緩存要， 緩存沒有才給內(nèi)存打電話。果然， 由于局部性原理的存在， 我發(fā)現(xiàn)的確是快了不少啊。當(dāng)然也有缺點(diǎn)， 那就是Linux老大在做程序切換的時(shí)候， 緩存就會(huì)失效，因?yàn)閮蓚€(gè)程序之間沒什么聯(lián)系，局部性原理不起作用， 所以需要重建緩存。緩存讓我的工作更有效率， 得到了Linux老大的表揚(yáng)：'阿甘， 我看你很聰明嘛， 都會(huì)用緩存了''我哪有那么聰明，都是內(nèi)存的點(diǎn)子。老大，不過我學(xué)會(huì)了一個(gè)重要的東西 ：當(dāng)你改變不了別人的話，抱怨也沒用， 還是先改變一下自己吧''挺有哲理的嗎， 希望你明天重啟后還能想起來' Linux老大笑話我。'我最近又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題， 正苦惱著呢， 你看我有四只手， 第一只手負(fù)責(zé)打電話問內(nèi)存要指令， 第二只手翻譯指令， 第三只手真正執(zhí)行， 第四只手有時(shí)候還得把結(jié)果寫回內(nèi)存。 問題是， 我發(fā)現(xiàn)經(jīng)常只有一只手在忙活， 其他都在閑著， 你看第一只手取指令， 其他手只能等著。 第二只手翻譯指令的時(shí)候，其他三只也得等“'看來以后我們不能叫你阿甘了， 你已經(jīng)開始思考了' Linux老大笑了 “這問題好解決， 給你舉個(gè)例子，你聽說過洗車沒有？ 和你差不多， 也是先噴水， 再打洗潔劑， 再擦洗， 最后烘干， 但人家的工作方式和你不一樣，人家是流水線作業(yè)， 你想想， 一輛車在烘干的時(shí)候， 后邊是不是還有三輛車，分別在噴水， 打清潔劑 和擦洗 ， 每個(gè)步驟都不會(huì)空閑。 ”'這么簡(jiǎn)單的道理我怎么都沒有想到呢？ 我也可以搞個(gè)流水線啊， 這樣每只手都利用起來了'別人都說我們高科技， 但其實(shí)原理都蘊(yùn)含在生活之中啊。 有了緩存和流水線的幫助， 讓我的工作大大的加快了，大家都對(duì)我刮目相看?！∷麄兿虢o我起個(gè)新名字：超人 ， 不過我還是更喜歡 他們叫我“阿甘”， 多親切。
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