計(jì)算機(jī)為什么普遍采用二進(jìn)制？

這是一個(gè)很常識(shí)性但非常重要的問題，馮.諾依曼計(jì)算機(jī)也叫存儲(chǔ)程序 計(jì)算機(jī)，其中“存儲(chǔ)程序”的概念是 指 將指令以二進(jìn)制代碼的形式事先輸入計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器 ，然后按其在存儲(chǔ)器中的首地址執(zhí)行程序的第一條指令，以后就按該程序的規(guī)定順序執(zhí)行其他指令，直至程序執(zhí)行結(jié)束。

我們更熟悉十進(jìn)制的運(yùn)算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個(gè)數(shù)字，逢十進(jìn)一。比如中國(guó)人從小背的“九九乘法表”其實(shí)就是十進(jìn)制變種。但是計(jì)算機(jī)中使用二進(jìn)制，只有0和1兩個(gè)數(shù)字，逢二進(jìn)一。

采用二進(jìn)制的原因：

1. 二進(jìn)制在自然界中最容易被表現(xiàn)出來。自然界中二值系統(tǒng)非常多，電壓的高低、水位的高低、門的開關(guān)、電流的有無等等都可以組成二值系統(tǒng)，都可以用來做計(jì)算機(jī)。
2. 計(jì)算機(jī)依靠電力工作，通過電子原件的電壓高低反應(yīng)，很容易就表現(xiàn)出二進(jìn)制的特性。從某種意義上說，中國(guó)古人的八卦是利用符號(hào)的二元形態(tài)來表示事物，這一點(diǎn)與二進(jìn)制頗為相同。

64位和32位CPU的區(qū)別

64位、32位指的是CPU寄存器的數(shù)據(jù)寬度，也叫 CPU 的位寬，他們最主要區(qū)別在于CPU一次能計(jì)算多少字節(jié)數(shù)據(jù)

• 32位CPU，表明處理器 一次可以計(jì)算 4 個(gè)字節(jié)(Byte)，即一次可以計(jì)算32位(bit)數(shù)據(jù)。
• 64位CPU，表明處理器 一次可以計(jì)算 8 個(gè)字節(jié)(Byte)，即一次可以計(jì)算64位(bit)數(shù)據(jù)。

CPU的位數(shù)越高也將會(huì)使它的尋址范圍、最大內(nèi)存容量、數(shù)據(jù)傳輸和處理速度、數(shù)值精度等指標(biāo)成倍增加，也就是CPU的處理能力得到大幅提升

我們都知道， 32位CPU最大支持4G內(nèi)存 ,這是怎么算出來的？**2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,**注意B和b的區(qū)別 "CPU中32位"中的"位"并不是 內(nèi)存中的"位bit"的概念，對(duì)應(yīng)到內(nèi)存中其實(shí)是"字節(jié)Byte" 由于32位最大內(nèi)存尋址能力只能達(dá)到是4G左右，我們就算給32位的電腦裝8G的內(nèi)存條，也無法提高其計(jì)算能力

計(jì)算機(jī)性能

接下來介紹一下關(guān)于計(jì)算機(jī)性能相關(guān)的基本概念：

儲(chǔ)存器的性能指標(biāo)

儲(chǔ)存器的性能指標(biāo)主要和以下3個(gè)方面有關(guān)：

1. 存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) * 儲(chǔ)存字長(zhǎng)（如1M*8bit）

其中：

• MAR位數(shù)反映儲(chǔ)存單元的個(gè)數(shù)，即最多能表示多少個(gè)不同的狀態(tài)

n個(gè)2進(jìn)制位能表示 2^n個(gè)狀態(tài)， 2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T

• MDR位數(shù)=儲(chǔ)存字長(zhǎng)=每個(gè)儲(chǔ)存單元的大小

2. 單位成本：每位價(jià)格=總成本/總?cè)萘俊?/li>
3. 存儲(chǔ)速度：數(shù)據(jù)傳輸率=數(shù)據(jù)的寬度/存儲(chǔ)周期

另外還有3個(gè)概念，再了解一下：

• **存取時(shí)間 **又稱存儲(chǔ)器訪問時(shí)間，是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。
• **存儲(chǔ)周期 **又稱為讀寫周期或訪問周期。它是指存儲(chǔ)器進(jìn)行一次完整的讀寫操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次獨(dú)立地訪問存儲(chǔ)器操作（讀或?qū)懖僮鳎┲g所需的最小時(shí)間間隔。
• **存儲(chǔ)器帶寬 **是單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取得信息量。

CPU的性能指標(biāo)

當(dāng)我們?nèi)ゾ〇|淘寶上去買，CPU的時(shí)候，商家一般會(huì)寫下面的信息：

12代 酷睿 i7-12700KF 處理器 12核20線程 單核睿頻至高可達(dá)5.0Ghz 25M三級(jí)緩存 臺(tái)式機(jī)CPU

其中除了一下CPU的型號(hào)，5.0Ghz是表示CPU性能的一個(gè)重要的指標(biāo)

CPU主頻： CPU內(nèi)核的時(shí)鐘頻率，表示在 CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的頻率 ，常用單位為Hz。平時(shí)我們打游戲常說的超頻，超的就是這個(gè)CPU主頻。 CPU時(shí)鐘周期 ：通常為節(jié)拍脈沖或T周期，即主頻的倒數(shù)，它是CPU中基本時(shí)間單位。執(zhí)行一條指令的耗時(shí) = CPI * CPU時(shí)鐘周期, 其中CPI表示 執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù) 一段程序的耗時(shí) =指令數(shù)*CPI * CPU時(shí)鐘周期， 如果我們想要提升CPU性能問題，其實(shí)就是要優(yōu)化這三者。

系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能主要受是下面3個(gè)指標(biāo)

1. 數(shù)據(jù)通路帶寬

數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)（各硬件部件通過數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)）

2. 吞吐量 指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請(qǐng)求的數(shù)量。它取決于信息能多快地輸入內(nèi)存，CPU能多快地取指令，數(shù)據(jù)能多快地從內(nèi)存取出或 存入，以及所得結(jié)果能多快地從內(nèi)存送給一臺(tái)外部設(shè)備。這些步驟中的每一步都關(guān)系 到主存，因此，系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。
3. 響應(yīng)時(shí)間 指從用戶向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，到系統(tǒng)對(duì)該請(qǐng)求做出響應(yīng)并獲得它所需 要的結(jié)果的等待時(shí)間。通常包括CPU時(shí)間（運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間）與等待時(shí)間（用于磁盤訪問、存儲(chǔ) 器訪問、I/O操作、操作系統(tǒng)開銷等時(shí)間）

跑分軟件，像魯大師等，就是把多個(gè)預(yù)設(shè)好的程序(基準(zhǔn)程序)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，然后根據(jù)運(yùn)行需要 的時(shí)間，算出一個(gè)分?jǐn)?shù)來評(píng)估計(jì)算機(jī)的性能，以便和其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較。

計(jì)算機(jī)功耗

通過上文CPU 執(zhí)行時(shí)間 = 指令數(shù)*CPI * CPU時(shí)鐘周期，我們知道程序的 CPU 的性能 受到 指令數(shù)、CPI 以及 CPU 主頻 的影響， 指令數(shù)或者 CPI 工程師，由于影響條件復(fù)雜，沒法直接干預(yù)，或者可能反向干預(yù)。主要手段是提高CPU的主頻， CPU 變得更快，程序的執(zhí)行時(shí)間自然就會(huì)縮短 ，

主頻越高越好 ？

答案是否定的 由本文一開始，我們知道現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)里的CPU,都是超大規(guī)模集成電路，實(shí)際上都是一個(gè)個(gè)晶體管組合而成的。通過電路的開關(guān)的"打開"和"關(guān)閉",來實(shí)現(xiàn)計(jì)算和儲(chǔ)存的能力。

要想計(jì)算得更快，從硬件角度來說，就是單位體積多放一些晶體管。從軟件角度，手動(dòng)將CPU的主頻提升。

但這2種手段，會(huì)增加CPU的耗電和散熱，即功耗增加。雖然可以通過降低電壓來緩解功耗的問題，但是一味地提升主頻，提升的性能效果日益衰弱。后面為了提升性能，不再依賴堆硬件方面，計(jì)算機(jī)采用了從單核CPU到多核CPU，將CPU執(zhí)行任務(wù)流水線化，高并發(fā)多線程等等更多的手段

參考資料：

深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)組成原理(第2版)-唐朔飛