编程启源 第二章 如厕真传
程序员文章站
2022-05-31 19:47:50
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古人云：“真传一句话，假传万卷书”。万有引力复杂不，只不过是一个苹果落地那么简单。拿最复杂的CPU来说吧，也只不过如同一座厕所而已。果真如此吗？计算机难学的原因在这里啊，太恶心了！出家人不打狂语，这是真的，有可能图灵大师就是在如厕时想出来的。
例如：一座厕所里，有一个排队机，一个便池、一个洗手盆、一个烘手器。一个人如所的流程：首先是排号、其次是解手、再次是洗手、最后是烘手，如厕完毕，等待下一个人。这就如同执行一条CPU指令。即一个时钟周期。如厕的人就是CPU要处理的数据。厕所就是CPU，便池相当于ALU。最原始的CPU大体也就是这么个样子，基于顺序操作的。虽然能工作但是很慢，不太实用。因为一个时钟周期只能执行一条CPU指令，并且需要执行四步，排号、解手、洗手、烘手，所以时钟周期要足够长才可以，以保证这四步的执行。
基于顺序设计的CPU，并没有发挥这座厕所的最大性能。一个更好的设计是在顺序设计的基础上，设计一个按流水线执行的CPU。既然是按顺，那顺序是不能变的，就是一个一个指令地执行。那要想使执行指令的时间减少（时钟周期），就要用到计算机中，亘古不变的真理：“以空间换时间”。我们把顺序执行的四步，看做一条流水线，按这个标准再增加三条流水线，总共四条，这样我们能同时执行四条指令，效率增加了四倍。等等，那顺序怎么办，好办，共用一台排队机就可以了。每一步的执行时间就是一个时钟周期了，代价就是增加了一些设施（空间）。这是一个多么精巧的设计啊！关于厕所文化，还没有完，它会始终与你同在。
这是一个简单又形像的比喻，虽然任何修辞都会严重遮蔽科学那神圣的光环，但是足以作为一个模型，帮助我们分析解决编程可能遇到的问题，也足以说明“法于时空，和于数理”对编程的重要性。
例如：一座厕所里，有一个排队机，一个便池、一个洗手盆、一个烘手器。一个人如所的流程：首先是排号、其次是解手、再次是洗手、最后是烘手，如厕完毕，等待下一个人。这就如同执行一条CPU指令。即一个时钟周期。如厕的人就是CPU要处理的数据。厕所就是CPU，便池相当于ALU。最原始的CPU大体也就是这么个样子，基于顺序操作的。虽然能工作但是很慢，不太实用。因为一个时钟周期只能执行一条CPU指令，并且需要执行四步，排号、解手、洗手、烘手，所以时钟周期要足够长才可以，以保证这四步的执行。
基于顺序设计的CPU，并没有发挥这座厕所的最大性能。一个更好的设计是在顺序设计的基础上，设计一个按流水线执行的CPU。既然是按顺，那顺序是不能变的，就是一个一个指令地执行。那要想使执行指令的时间减少（时钟周期），就要用到计算机中，亘古不变的真理：“以空间换时间”。我们把顺序执行的四步，看做一条流水线，按这个标准再增加三条流水线，总共四条，这样我们能同时执行四条指令，效率增加了四倍。等等，那顺序怎么办，好办，共用一台排队机就可以了。每一步的执行时间就是一个时钟周期了，代价就是增加了一些设施（空间）。这是一个多么精巧的设计啊！关于厕所文化，还没有完，它会始终与你同在。
这是一个简单又形像的比喻，虽然任何修辞都会严重遮蔽科学那神圣的光环，但是足以作为一个模型，帮助我们分析解决编程可能遇到的问题，也足以说明“法于时空，和于数理”对编程的重要性。