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[数码]为什么计算机指令集操作都这么低级,难道抽象层级不能更高吗,这是否意味着还原论在计算机领域的彻底胜利?

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问题补充:这个问题可能提问目的和计算模型有重叠部分,“提高抽象”不是指“组合指令”,而是从根本上提高抽象,否则一切上层操作最终都会落到图灵机的机器操作…
因为“绘制一条线”需要知道显卡、显存、显示器等等的存在,且显卡、显存、显示器必须遵循固定的标准。
比如,你在这上面:


这上面:


这上面:


以及这上面:


显示一条线显然是完全不一样的另一回事。
换句话说,你希望CPU能直接支持画线,实际上你的意思是让CPU和显示屏整合,也就是提高CPU和显示屏的耦合度。
如此一来,CPU本身就会变得极其复杂,因为必须把各种显示驱动做进CPU,从8段数码管到点阵屏再到自带2D加速、3D加速的辅助显示设备、再到GPGPU驱动,统统都要做进CPU、而且能自动切换。
不仅如此,你的显示屏也必须固定,不能再升级改进。比如你用的CPU是不支持HDR的,但你买了个HDR显示器,好了,等着跑飞死机吧。
正因为这种复杂性,人类才不得不拆分CPU、GPU,尽可能保证每个硬件模块高内聚、低耦合,这样IT行业才有发展可能。
事实上,图灵为何能被公认为计算机之父?为什么巴贝奇早在1823年就提出了差分机,但却无缘计算机之父这个荣耀?
很简单,图灵找出了通用计算所需的、最精简的那套指令;并证明了只要一台机器满足“图灵完备”需求,它就是通用计算机——而且,所有通用计算机理论上相互等价。
换句话说,图灵指出了最小的通用计算机所需的功能集,这个功能集里面的哪些指令不可或缺,哪些指令并不需要放进功能集——于是,CPU必需包含某些指令才能图灵完备,这个指令集中的指令就是高内聚的;而额外的指令未必能带来好处,尤其是它牵扯到外设的工作原理时,这类指令显然应该和CPU低耦合。
在图灵理论的基础上,人类才有可能以最低代价、最清晰最精简的结构实现通用计算机——否则,制造计算机的努力几乎100%会步巴贝奇的后尘:复杂度失控,预算赤字无限扩大,财政崩溃……然后越造越复杂,越造离成功越远……
越是复杂工程,越是需要这种干净利落、斩断冗余、专注核心的能力。
问题是,什么是核心,直到1936年图灵提出了图灵机模型,这才得以阐明。
至于还原论/系统论嘛……
当你把现实往下拆的时候,它就是还原论的。以至于你可以轻易用牛顿三定律、量子论、相对论以及相应的数学囊括整个宇宙。
但,当你从底层开始搭建一个系统时,它又是系统论的。比如说,你拆解物理世界的时候,不可能知道一组简单的公式居然能搞出这个:


不同的行走方向有迥异的风景,而且两者都是正确的。
你以为是技术可行性问题,其实都是市场供需问题。
比方说,如果设计出来一款手机处理器,它有这样一条指令:
原神,启动!
只要把这款处理器和指定的主板、存储器、屏幕……等等安装到一起,一旦运行上面这条指令,就可以开始玩原神。
这款处理器的价格是 骁龙 8 Gen 2 的一半,但是玩原神的画质和流畅度反而更高。
缺点就是,它除了玩原神,什么都干不了。
这样的手机(游戏机)有多少人愿意买?
再换个假设,如果有另一款手机处理器,它既支持专用的「原神,启动!」指令,又支持通用的 ARM 指令集,缺点就是耗电速度和发热量是普通处理器的1.5倍,价格是普通处理器的2倍。
搭载这款处理器的「原神手机」又有多少人愿意买?
你现在看到的大众化的 CPU ,指令集已经不知道改进了多少个版本了。
之所以新加的指令都是什么「一口气算8个长整型/双精度浮点数」这种仍然很底层的东西,而不是「检索一个程序模块,调用它的某个接口」,那完全就是市场原因。
硬件 Java 处理器是真的有人制造出来过的。
之所以后来不造了,原因就是市场反响不好。
当然不是。
在某些学术论文中提到只需要mov就可以构建一个完备的图灵机。
DonaldDuck:x86 mov是图灵完备的?zhuanlan.zhihu.com/p/651444923?utm_psn=1775471229593640960


而现在的指令集的数量一般达到了几百。
其中比如Intel公司在2010年推出的所有基于32nm工艺的Core处理器上增加了对AES算法的特殊指令支持。这是由于以微软系统为例,开启bitlocker之后每一次读写(到硬盘)文件都会对文件加密,所需要的aes计算量是惊人的。如果不对它进行专门的优化,那么用户可能会感觉特别卡。
你可以通过openssl测试来感受一下sm4和aes的速度差异。
我觉得下面的答案有点儿跑题?
这个问题其实分为两部分?
计算机指令集操作抽象层级不能更高吗?
我觉得这是一个很莫名其妙的问题,因为指令集他本来就是一个抽象层级,指令集的抽象层级当然可以更高,例如CISC、SIMD……
那么还能不能更高?能,但是我为什么还要将这种东西叫做指令集呢?
所以这是一个定义的问题。
第二个问题,是否意味着还原论在计算机领域的彻底胜利?
这个问题我个人认为受限于人类的脑容量,只要是人造的东西它必然是符合还原论的。也就是一切足够复杂的人造的玩意儿必然是由更简单的部件组合而成的。否则人类的脑容量不支持把这玩意儿造出来,这种东西不仅仅包含实物,也包括理论模型,一个认为基本粒子的种类和宇宙原子数量同一个数量级的物理学理论可能是对的但没有人类可以理解。
而还原论说的是,是否宇宙本身就是这样复杂的构件由简单的部分组成?我认为这个问题很好解,一个能被人类理解的宇宙必然是这样的……
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操作系统
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由清华大学两位老师向勇、陈渝讲授,同时配有一套完整的实验,实验内容是从无到有地建立起一个小却五脏俱全的操作系统,以主流操作系统为实例,以教学操作系统ucore为实验环境,讲授操作系统的概念、基本原理和实现技术,为学生从事操作系统软件研究和开发,以及充分利用操作系统功能进行应用软件研究和开发打下扎实的基础。
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操作系统主要知识点:
操作系统的基础特征 进程与线程的本质区别、以及各自的使用场景 进程的几种状态 进程通信方法的特点以及使用场景 进程任务调度算法的特点以及使用场景 死锁的原因、必要条件、死锁处理。手写死锁代码、Java是如何解决死锁的。 线程实现的方式 内存管理的方式 虚拟内存的作用,分页系统实现虚拟内存原理 页面置换算法的原理静态链接和动态链接计算机组成原理
计算机组成原理,主要学习计算机的基本组成原理和内部运行机制,并探索硬、软件之间相互作用的关系,以及如何有效利用硬件提高系统性能。
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计算机组成原理(哈工大刘宏伟): https://www.bilibili.com/video/BV1WW411Q7PF
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编译原理
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计算机网络核心知识点:
网络分层结构TCP/IP三次握手四次挥手滑动窗口、拥塞控制HTTP/HTTPS网络安全问题(CSRF、XSS、SQL注入等)数据库
互联网应用大多属于数据密集型应用,对于真实世界的数据密集型应用而言,除非你准备从基础组件的轮子造起,不然根本没那么多机会去摆弄花哨的数据结构和算法。
实际生产中,数据表就是数据结构,索引与查询就是算法。而应用代码往往扮演的是胶水的角色,处理IO与业务逻辑,其他大部分工作都是在数据系统之间搬运数据。在最宽泛的意义上,有状态的地方就有数据库。它无所不在,网站的背后、应用的内部,单机软件,区块链里,甚至在离数据库最远的Web浏览器中。
书籍推荐
《MySQL必知必会》《高性能MySQL》
《MySQL必知必会》主要是Mysql的基础语法,很好理解。后面有了基础再看《高性能mysql》,这本书主要讲解索引、SQL优化、高级特性等,很多Mysql相关面试题出自《高性能MySQL》这本书,值得一看。
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伯克利的 CS168 课程:https://archive.org/details/UCBerkeley_Course_Computer_Science_186


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要是只能给个简单粗暴的回答,那只好说“是也不是”这种和稀泥的答案。仅仅从通用 CPU 指令集这样一个切面来想问题,就会得出片面的形而上的结论。
计算机里的元件不可胜数,之所以能通过简单的两次鼠标点击画出一条线,是因为背后有数不清的传感器、电线电感电门、逻辑门、发光二极管之类的元件在一起工作,而它们由人类不同组织在不同时空研发,又要在不可能双工通讯的情况下互相结合,毕竟 Adobe 研发 PhotoShop 的时候可没办法跟每个硬件商通气,能运行起来全靠预先定下的标准,其沟通困难性和标准的重要性可想而知。
整个计算机体系就是这么一层一层叠起来的。你问抽象层级不能更高吗,当然可以啊,难道 Posix 标准的抽象层级不够高?再往上 Python 标准库的抽象层级不够高?再往上图形界面的拖拖乐抽象层级总够高了吧?CPU 指令集,因而没有任何特殊性,不存在必须长得像 x86 的道理,只是因为它恰好在这么个位置罢了。假如历史另样发展,中央处理器的划分就好像如今的 SoC 一样,想来其指令集要带一套图形指令也并非天方夜谭。
像“指令集”这种东西都是作为标准存在的。你愿意建立新的标准,就得说服其他从业者,要有足够利益驱动这么一些应用场景,引得上千、上万,上十万,甚至上百万的人建立共识,然后才形成标准。
以 ARM Jazzle 为例,这套处理器就是看到 java 的流行,设计出来直接运行 Java 虚拟机字节码的 CPU。这时候,它的“指令集”就更高级了一些,但受众也少了。
以 ASIC 和 FPGA 为例,它们的“指令集”真是超级可定制化。在量化交易领域,常用的就是一些设置交易策略相关的信号和参数的指令。这个很接近你的想象了吧,改一改变成处理“两点间画条线”这样指令的芯片也不是不可能。
诶嘿,GPU 正好就有这种指令。当然了,现在大部分 GPU 指令集是不公开的,但由于绝大多数人都通过 OpenGL, DirectX, Vulkan 或 CUDA 这种驱动来操作 GPU,概念上我们可以认为这些也算“指令集”。这个,离题主说的也很近。
最后,抽象层级能不能更低呢?答案也是可以的。Intel 现在的 CPU 都有完整的片上调度操作系统,有完整的将 x86 解码成 micro op 的逻辑,有许多安全监测、动态平衡元件的“软件”运行其中,甚至还能动态地开关核心。在这里,x86 只是 Intel 与其它从业者的约定与“常识”,就好像国际上用英语,回家了用汉语一样。倘若这一屋子都是中国人,就没必要扯洋话了。
所以总结来说,计算机指令集的操作并非都很低级。现在计算机指令集看起来这么“低级”,其主要原因是处在整合计算机生态中各个组件的中心要道上,它是来自五湖四海的硬件软件们交汇的地方,当然共通语越简单越好;其次要原因是历史积累。更高层地看,总体的规律是,越通用的标准,就要更新得越简单,对历史的兼容也要越好。如果是特化的芯片,就能做得越适配你的用例。
某种意义上,编程语言也好,指令集也好,自然语言也好,倒是遵循着一条相同的原则,即 “一个短语或者句子,只要用得足够频繁,就可以开例外”。
举例:伪随机数指令、视频硬解码,神经网络硬件加速。
甚至你现在提供一个单条指令,它能高速地跑一个 llama3 架构的神经网络,只要性价比有优势,都是有人要的。 可见并不是抽象的指令没人要……
而且这种东西的底层显然不是什么图灵纸带。当然你可以说一切芯片都可以还原到电路,但是这好像是同义反复的废话……
但是 “绘制一条点” 显然在各种意义上都达不到这个标准。
如果你认为绘制一条线是这么简单的操作,那么你还需要继续学习。
三观问题只能自己领悟,别人帮不了你。
有的人看着都是与或非,顺着输入自然走到输出,就觉得简单。
有的人看着居然有一大堆电路元件,就觉得复杂。
有的人买菜打折抹零心算秒得,觉得也很普通。
有的人看着算表口诀、掐着算法手势,还是觉得复杂无比。
简单还是复杂,这是一个问题,问题在于观察者。
低级?x86指令集“高级”到都和c语言差不多了抽象级别还不够高???
真直接手撸汇编(不是反汇编然后改改那种),你会发现x86汇编真啥都有。。。
连c风格字符串都有一堆的指令。。。。处理器直接支持。。。
所以risc诟病就是cpu就是cpu,不应当是一个完整计算机,整那么多干嘛,图灵完备才需要多少指令。。
另外,实模式绘制一个点,“cpu的”汇编不就是。。。几个mov。。。。变成屏幕上的点是bios+显卡的事情。
这位朋友,你能控制自己身上都每一个细胞么?
大家不要拦着题主发明非冯诺依曼架构的CPU,我看他成。
所有软件能够实现的东西,都可以用硬件来实现,就看能够花多少钱多少时间来做。所以你可以把一个操作系统甚至加上应用软件都做到一个硬件设备里,然后让这个设备用几个按钮来控制,每个按钮对应一个指令,指令想做多抽象都可以。
这样设计为了通用性、灵活性。
当然可以设计一种CPU,指令高度抽象,比如提供“画线”指令,但是如果要画点怎么办、画字怎么办?不见得都能通过“画线”指令来完成,那就功能太单一了,这种CPU或电路叫“ASIC”,专用集成电路。为了通用性,必须把这种指令分拆成更小的单元,以便开发者自己去自由组合。
拿建房子做比方,可以设计指令最小功能是“做墙”,支持做成不同颜色、不同形状的墙,但如果要设计复杂的建筑呢,开发者可能需要的最小指令功能是“做砖头”,用砖头去拼任何想要的建筑。
“最小指令功能”到底要到什么阶段才是“最小”,这就是计算机科学、数学理论的研究范畴了。“图灵完备”说的就是这个意思,计算机提供几种“最小指令”组成指令集,就能完成任何计算处理任务。
计算机指令集,就像是电脑的“语言”,告诉电脑要做什么。有人说为啥这些指令看起来这么“低级”呢?
这就像是我们学说话一样,一开始我们只能学一些简单的词,比如“妈妈”、“爸爸”,然后慢慢才能说出完整的句子。计算机的指令集也是这样,它们是电脑最基础的“词汇”,用来完成各种任务。


为啥不能让这些指令更高级,更抽象一些呢?
这就像是问,为啥我们不能一开始就教小孩子说复杂的成语和诗词呢?因为,如果一开始就太复杂,小孩子可能就学不会,或者学得很慢。同样的道理,如果计算机的指令集太高级,那么编写程序就会变得非常困难,而且电脑理解和执行这些指令也会更慢。
计算机的指令集之所以“低级”,还有一个重要的原因,就是它们需要直接控制硬件。你可以把硬件想象成电脑的“肌肉”,而指令集就是告诉这些“肌肉”怎么动的命令。如果指令集太抽象,那么电脑就不知道怎么去控制这些“肌肉”了。
这是否意味着还原论在计算机领域的彻底胜利呢?
简单来说,就是认为复杂的现象可以通过分析它们的基本组成部分来理解。在计算机领域,这确实是一种非常重要的思想。通过分析和理解计算机的基本操作,我们能够更好地设计和优化计算机系统。
并不意味着抽象层级不重要。实际上我们已经在指令集的基础上,构建了很多抽象层级。我们有操作系统,它帮助我们管理电脑的资源;我们有编程语言,它让我们可以用更高级的方式来编写程序;我们还有各种软件,它们帮助我们完成各种复杂的任务。


这些抽象层级,就像是我们生活中的各种工具和规则。它们让我们的生活变得更简单,更高效。同样,计算机的抽象层级,也让我们能够更容易地使用计算机,完成各种复杂的任务。
计算机指令集的“低级”,并不是说它们不重要,或者它们是不好的。相反,它们是计算机能够正常工作的基础。同时,我们也在不断地发展和完善抽象层级,让计算机变得更加强大,更加易于使用。
就像我们的生活一样,我们需要基础的东西,比如食物、水和空气,但同时,我们也需要更高级的东西,比如艺术、文化和科技。计算机领域也是如此,我们需要基础的指令集,但我们也需要更高级的抽象层级,来帮助我们更好地利用计算机,完成各种任务。


总结一下
计算机指令集的“低级”,并不是还原论的彻底胜利,而是计算机科学发展的一个必要阶段。通过理解和掌握这些基础,我们可以构建更高级的抽象层级,让计算机变得更加强大,更加智能。这就像是我们学习语言一样,我们需要从基础的词汇开始,然后才能学会更复杂的表达和沟通。只有这样,我们才能真正地利用计算机,让它成为我们生活中的得力助手。
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