关于CPU的一些基本知识总结

关于CPU和程序的执行

CPU是计算机的大脑。

1. 程序的运行过程，其实是程序涉及到的、未涉及到的一大堆的指令的执行过程。
   当程序要执行的部分被装载到内存后，CPU要从内存中取出指令，而后指令解码(以便知道类型和操做数，简单的理解为CPU要知道这是什么指令)，而后执行该指令。再而后取下一个指令、解码、执行，以此类推直到程序退出。
2. 这个取指、解码、执行三个过程构成一个CPU的基本周期。
3. 每一个CPU都有一套本身能够执行的专门的指令集(注意，这部分指令是CPU提供的，CPU-Z软件可查看)，指令集包含两类指令：机器指令和汇编指令。
   正是由于不一样CPU架构的指令集不一样，使得x86处理器不能执行ARM程序，ARM程序也不能执行x86程序。（Intel和AMD都使用x86指令集，手机绝大多数使用ARM指令集）。
   注：指令集的软硬件层次之分：硬件指令集是硬件层次上由CPU自身提供的可执行的指令集合。软件指令集是指语言程序库所提供的指令，只要安装了该语言的程序库，指令就能够执行。
4. 因为CPU访问内存以获得指令或数据的时间要比执行指令花费的时间长不少，所以在CPU内部提供了一些用来保存关键变量、临时数据等信息的通用寄存器。
   因此，CPU须要提供 一些特定的指令，使得能够从内存中读取数据存入寄存器以及能够将寄存器数据存入内存。
   此外还须要提供加法、减、not/and/or等基本运算指令，而乘除法运算都是推算出来的(支持的基本运算指令参见ALU Functions)，因此乘除法的速度要慢的多。这也是算法里在考虑时间复杂度时经常忽略加减法次数带来的影响，而考虑乘除法的次数的缘由。
5. 除了通用寄存器，还有一些特殊的寄存器。典型的如：
   • PC：program counter，表示程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址，指令取出后，就会更新该寄存器指向下一条指令。
     
   • 堆栈指针：指向内存当前栈的顶端，包含了每一个函数执行过程的栈帧，该栈帧中保存了该函数相关的输入参数、局部变量、以及一些没有保存在寄存器中的临时变量。
     
   • PSW：program status word，表示程序状态字，这个寄存器内保存了一些控制位，好比CPU的优先级、CPU的工做模式(用户态仍是内核态模式)等。
     
6. 在CPU进行进程切换的时候，须要将寄存器中和当前进程有关的状态数据写入内存对应的位置(内核中该进程的栈空间)保存起来，当切换回该进程时，须要从内存中拷贝回寄存器中。即上下文切换时，须要保护现场和恢复现场。
   
7. 为了改善性能，CPU已经不是单条取指-->解码-->执行的路线，而是分别为这3个过程分别提供独立的取值单元，解码单元以及执行单元。这样就造成了流水线模式。
   例如，流水线的最后一个单元——执行单元正在执行第n条指令，而前一个单元能够对第n+1条指令进行解码，再前一个单元即取指单元能够去读取第n+2条指令。这是三阶段的流水线，还可能会有更长的流水线模式。
   
8. 更优化的CPU架构是superscalar架构（超标量架构）。这种架构将取指、解码、执行单元分开，有大量的执行单元，而后每一个取指+解码的部分都以并行的方式运行。好比有2个取指+解码的并行工做线路，每一个工做线路都将解码后的指令放入一个缓存缓冲区等待执行单元去取出执行。
   
   
9. 除了嵌入式系统，多数CPU都有两种工做模式：内核态和用户态。这两种工做模式是由PSW寄存器上的一个二进制位来控制的。
10. 内核态的CPU，能够执行指令集中的全部指令，并使用硬件的全部功能。
11. 用户态的CPU，只容许执行指令集中的部分指令。通常而言，IO相关和把内存保护相关的全部执行在用户态下都是被禁止的，此外其它一些特权指令也是被禁止的，好比用户态下不能将PSW的模式设置控制位设置成内核态。
    
12. 用户态CPU想要执行特权操做，须要发起系统调用来请求内核帮忙完成对应的操做。实际上是在发起系统调用后，CPU会执行trap指令陷入(trap)到内核。当特权操做完成后，须要执行一个指令让CPU返回到用户态。
13. 除了系统调用会陷入内核，更多的是硬件会引发trap行为陷入内核，由于全部的硬件均可以在须要的时候经过总线发送硬件中断信号(也称为硬件异常，这个异常并不是真的表明硬件出了故障，而是表示一种须要尽快处理的事件)，使得CPU控制权能够回到操做系统，让内核去处理该中断。
    
14. 中断指的是打断正常的执行流程，并在须要时恢复正常的执行流程，就像这个突发事件从没有发生过同样，但却实实在在的处理过这个事件。因此，发生中断时须要保证可以去处理中断事件，还要保存中断发生时的正常执行流程，以便后续恢复正常执行流程。
    • 中断是操做系统中很是重要的机制，分为硬件中断和软件中断。
      
    • 软中断能够经过一些特殊的系统调用来实现，好比发生一些信号。
      
    • 每一个硬件都能在须要的时候经过总线发送硬件中断信号，好比IO操做完成的时候，磁盘能够发送磁盘IO中断。
      
    • 同一时刻可能会有不少中断事件的发生，因此中断须要排队，此外中断也有优先级来决定哪一种中断比较重要是须要尽快处理的。
      
    • 当接收到中断后，CPU控制权交给内核，内核开始处理中断，中断处理的最后一个步骤是跳回中断地点继续向下执行，可是有可能在执行此步骤以前就退出了该执行流程，使得不会继续向下执行。

关于CPU的基本组成

1. CPU是用来运算的(加法运算+、乘法运算*、逻辑运算and not or等)，例如c=a+b。
   
2. 运算操做涉及到数据输入(input)、处理、数据输出(output)，a和b是输入数据，加法运算是处理，c是输出数据。
   
3. CPU须要使用一个叫作存储器(也就是各类寄存器)的东西保存输入和输出数据。如下是几种常见的寄存器(前文也介绍了一些)
   • MAR: memory address register，保存将要被访问数据在内存中哪一个地址处，保存的是地址值
     
   • MDR: memory data register，保存从内存读取进来的数据或将要写入内存的数据，保存的是数据值
     
   • AC: Accumulator，保存算术运算和逻辑运算的中间结果，保存的是数据值
     
   • PC: Program Counter，保存下一个将要被执行指令的地址，保存的是地址值
     
   • CIR: current instruction register，保存当前正在执行的指令
     
4. CPU还要将一些经常使用的基本运算工具(如加法器)放进CPU，这部分负责运算，称为算术逻辑单元(ALU, Arithmetic Logic Unit)。
   
5. CPU中还有一个控制器(CU, Control Unit)，负责将存储器中的数据送到ALU中去作运算，并将运算后的结果存回到存储器中。
   • 控制器还包含了一些控制信号。
     
6. 控制器之因此知道数据放哪里、作什么运算(好比是作加法仍是逻辑运算?)都是由指令告诉控制器的，每一个指令对应一个基本操做，好比加法运算对应一个指令。
   
7. 例如，将两个MDR寄存器(保存了来自内存的两个数据)中的值拷贝到ALU中，而后根据指定的操做指令执行加法运算，将运算结果拷贝会一个MDR寄存器中，最后写入到内存。
   
8. 这就是冯诺依曼结构图，也就是如今计算机的结构图。
   

关于CPU的多核和多线程

1. CPU的物理个数由主板上的插槽数量决定，每一个CPU能够有多核心，每核心可能会有多线程。
2. 多核CPU的每核(每核都是一个小芯片)，在OS看来都是一个独立的CPU。
3. 对于超线程CPU来讲，每核CPU能够有多个线程(数量是两个，好比1核双线程，2核4线程，4核8线程)，每一个线程都是一个虚拟的逻辑CPU(好比windows下是以逻辑处理器的名称称呼的)，而每一个线程在OS看来也是独立的CPU。
   这是欺骗操做系统的行为，在物理上仍然只有1核，只不过在超线程CPU的角度上看，它认为它的超线程会加速程序的运行。
   
   
4. 要发挥超线程优点，须要操做系统对超线程有专门的优化。
5. 多线程的CPU在能力上，比非多线程的CPU核心要更强，但每一个线程不足以与独立的CPU核心能力相比较。
   
6. 每核上的多线程CPU都共享该核的CPU资源。
   例如，假设每核CPU都只有一个"发动机"资源，那么线程1这个虚拟CPU使用了这个"发动机"后，线程2就无法使用，只能等待。
   因此，超线程技术的主要目的是为了增长流水线(参见前文对流水线的解释)上更多个独立的指令，这样线程1和线程2在流水线上就尽可能不会争抢该核CPU资源。因此，超线程技术利用了superscalar(超标量)架构的优势。
   
7. 多线程意味着每核能够有多个线程的状态。好比某核的线程1空闲，线程2运行。
8. 多线程没有提供真正意义上的并行处理，每核CPU在某一时刻仍然只能运行一个进程，由于线程1和线程2是共享某核CPU资源的。能够简单的认为每核CPU在独立执行进程的能力上，有一个资源是惟一的，线程1获取了该资源，线程2就无法获取。
   可是，线程1和线程2在不少方面上是能够并行执行的。好比能够并行取指、并行解码、并行执行指令等。因此虽然单核在同一时间只能执行一个进程，但线程1和线程2能够互相帮助，加速进程的执行。
   而且，若是线程1在某一时刻获取了该核执行进程的能力，假设此刻该进程发出了IO请求，因而线程1掌握的执行进程的能力，就能够被线程2获取，即切换到线程2。这是在执行线程间的切换，是很是轻量级的。(WIKI: if resources for one process are not available, then another process can continue if its resources are available)
   
9. 多线程可能会出现一种现象：假如2核4线程CPU，有两个进程要被调度，那么只有两个线程会处于运行状态，若是这两个线程是在同一核上，则另外一核彻底空转，处于浪费状态。更指望的结果是每核上都有一个CPU分别调度这两个进程。

关于CPU上的高速缓存

1. 最高速的缓存是CPU的寄存器，它们和CPU的材料相同，最靠近CPU或最接近CPU，访问它们没有时延(<1ns)。但容量很小，小于1kb。
   • 32bit：32*32比特=128字节
     
   • 64bit：64*64比特=512字节
     
2. 寄存器之下，是CPU的高速缓存。分为L1缓存、L2缓存、L3缓存，每层速度按数量级递减、容量也愈来愈大。
   
   
3. 每核心都有一个本身的L1缓存。L1缓存分两种：L1指令缓存(L1-icache)和L1数据缓存(L1-dcache)。L1指令缓存用来存放已解码指令，L1数据缓存用来放访问很是频繁的数据。
4. L2缓存用来存放近期使用过的内存数据。更严格地说，存放的是极可能未来会被CPU使用的数据。
5. 多数多核CPU的各核都各自拥有一个L2缓存，但也有多核共享L2缓存的设计。不管如何，L1是各核私有的(但对某核内的多线程是共享的)。