關(guān)于CPU和程序的執(zhí)行

CPU是計(jì)算機(jī)的大腦。

1、程序的運(yùn)行過程，實(shí)際上是程序涉及到的、未涉及到的一大堆的指令的執(zhí)行過程。

當(dāng)程序要執(zhí)行的部分被裝載到內(nèi)存后，CPU要從內(nèi)存中取出指令，然后指令解碼(以便知道類型和操作數(shù)，簡單的理解為CPU要知道這是什么指令)，然后執(zhí)行該指令。再然后取下一個(gè)指令、解碼、執(zhí)行，以此類推直到程序退出。

2、這個(gè)取指、解碼、執(zhí)行三個(gè)過程構(gòu)成一個(gè)CPU的基本周期。

3、每個(gè)CPU都有一套自己可以執(zhí)行的專門的指令集(注意，這部分指令是CPU提供的，CPU-Z軟件可查看)。

正是因?yàn)椴煌珻PU架構(gòu)的指令集不同，使得x86處理器不能執(zhí)行ARM程序，ARM程序也不能執(zhí)行x86程序。(Intel和AMD都使用x86指令集，手機(jī)絕大多數(shù)使用ARM指令集)。

注：指令集的軟硬件層次之分：硬件指令集是硬件層次上由CPU自身提供的可執(zhí)行的指令集合。軟件指令集是指語言程序庫所提供的指令，只要安裝了該語言的程序庫，指令就可以執(zhí)行。

4、由于CPU訪問內(nèi)存以得到指令或數(shù)據(jù)的時(shí)間要比執(zhí)行指令花費(fèi)的時(shí)間長很多，因此在CPU內(nèi)部提供了一些用來保存關(guān)鍵變量、臨時(shí)數(shù)據(jù)等信息的通用寄存器。

所以，CPU需要提供 一些特定的指令，使得可以從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)存入寄存器以及可以將寄存器數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。

此外還需要提供加法、減、not/and/or等基本運(yùn)算指令，而乘除法運(yùn)算都是推算出來的(支持的基本運(yùn)算指令參見ALU Functions)，所以乘除法的速度要慢的多。這也是算法里在考慮時(shí)間復(fù)雜度時(shí)常常忽略加減法次數(shù)帶來的影響，而考慮乘除法的次數(shù)的原因。

5、除了通用寄存器，還有一些特殊的寄存器。典型的如：

• PC：program counter，表示程序計(jì)數(shù)器，它保存了將要取出的下一條指令的內(nèi)存地址，指令取出后，就會(huì)更新該寄存器指向下一條指令。
• 堆棧指針：指向內(nèi)存當(dāng)前棧的頂端，包含了每個(gè)函數(shù)執(zhí)行過程的棧幀，該棧幀中保存了該函數(shù)相關(guān)的輸入?yún)?shù)、局部變量、以及一些沒有保存在寄存器中的臨時(shí)變量。
• PSW：program status word，表示程序狀態(tài)字，這個(gè)寄存器內(nèi)保存了一些控制位，比如CPU的優(yōu)先級、CPU的工作模式(用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)模式)等。

6、在CPU進(jìn)行進(jìn)程切換的時(shí)候，需要將寄存器中和當(dāng)前進(jìn)程有關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存對應(yīng)的位置(內(nèi)核中該進(jìn)程的棧空間)保存起來，當(dāng)切換回該進(jìn)程時(shí)，需要從內(nèi)存中拷貝回寄存器中。即上下文切換時(shí)，需要保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。

7、為了改善性能，CPU已經(jīng)不是單條取指-->解碼-->執(zhí)行的路線，而是分別為這3個(gè)過程分別提供獨(dú)立的取值單元，解碼單元以及執(zhí)行單元。這樣就形成了流水線模式。

例如，流水線的最后一個(gè)單元——執(zhí)行單元正在執(zhí)行第n條指令，而前一個(gè)單元可以對第n+1條指令進(jìn)行解碼，再前一個(gè)單元即取指單元可以去讀取第n+2條指令。這是三階段的流水線，還可能會(huì)有更長的流水線模式。

8、更優(yōu)化的CPU架構(gòu)是superscalar架構(gòu)(超標(biāo)量架構(gòu))。這種架構(gòu)將取指、解碼、執(zhí)行單元分開，有大量的執(zhí)行單元，然后每個(gè)取指+解碼的部分都以并行的方式運(yùn)行。比如有2個(gè)取指+解碼的并行工作線路，每個(gè)工作線路都將解碼后的指令放入一個(gè)緩存緩沖區(qū)等待執(zhí)行單元去取出執(zhí)行。

9、除了嵌入式系統(tǒng)，多數(shù)CPU都有兩種工作模式：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。這兩種工作模式是由PSW寄存器上的一個(gè)二進(jìn)制位來控制的。

10、內(nèi)核態(tài)的CPU，可以執(zhí)行指令集中的所有指令，并使用硬件的所有功能。

11、用戶態(tài)的CPU，只允許執(zhí)行指令集中的部分指令。一般而言，IO相關(guān)和把內(nèi)存保護(hù)相關(guān)的所有執(zhí)行在用戶態(tài)下都是被禁止的，此外其它一些特權(quán)指令也是被禁止的，比如用戶態(tài)下不能將PSW的模式設(shè)置控制位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)。

12、用戶態(tài)CPU想要執(zhí)行特權(quán)操作，需要發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用來請求內(nèi)核幫忙完成對應(yīng)的操作。其實(shí)是在發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，CPU會(huì)執(zhí)行trap指令陷入(trap)到內(nèi)核。當(dāng)特權(quán)操作完成后，需要執(zhí)行一個(gè)指令讓CPU返回到用戶態(tài)。

13、除了系統(tǒng)調(diào)用會(huì)陷入內(nèi)核，更多的是硬件會(huì)引起trap行為陷入內(nèi)核，使得CPU控制權(quán)可以回到操作系統(tǒng)，以便操作系統(tǒng)去決定如何處理硬件異常。

關(guān)于CPU的基本組成

1、CPU是用來運(yùn)算的(加法運(yùn)算+、乘法運(yùn)算*、邏輯運(yùn)算and not or等)，例如c=a+b。

2、運(yùn)算操作涉及到數(shù)據(jù)輸入(input)、處理、數(shù)據(jù)輸出(output)，a和b是輸入數(shù)據(jù)，加法運(yùn)算是處理，c是輸出數(shù)據(jù)。

3、CPU需要使用一個(gè)叫做存儲(chǔ)器(也就是各種寄存器)的東西保存輸入和輸出數(shù)據(jù)。以下是幾種常見的寄存器(前文也介紹了一些)

• MAR: memory address register，保存將要被訪問數(shù)據(jù)在內(nèi)存中哪個(gè)地址處，保存的是地址值
• MDR: memory data register，保存從內(nèi)存讀取進(jìn)來的數(shù)據(jù)或?qū)⒁獙懭雰?nèi)存的數(shù)據(jù)，保存的是數(shù)據(jù)值
• AC: Accumulator，保存算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的中間結(jié)果，保存的是數(shù)據(jù)值
• PC: Program Counter，保存下一個(gè)將要被執(zhí)行指令的地址，保存的是地址值
• CIR: current instruction register，保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令

4、CPU還要將一些常用的基本運(yùn)算工具(如加法器)放進(jìn)CPU，這部分負(fù)責(zé)運(yùn)算，稱為算術(shù)邏輯單元(ALU, Arithmetic Logic Unit)。

5、CPU中還有一個(gè)控制器(CU, Control Unit)，負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送到ALU中去做運(yùn)算，并將運(yùn)算后的結(jié)果存回到存儲(chǔ)器中。

• 控制器還包含了一些控制信號。

5、控制器之所以知道數(shù)據(jù)放哪里、做什么運(yùn)算(比如是做加法還是邏輯運(yùn)算?)都是由指令告訴控制器的，每個(gè)指令對應(yīng)一個(gè)基本操作，比如加法運(yùn)算對應(yīng)一個(gè)指令。

6、例如，將兩個(gè)MDR寄存器(保存了來自內(nèi)存的兩個(gè)數(shù)據(jù))中的值拷貝到ALU中，然后根據(jù)指定的操作指令執(zhí)行加法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果拷貝會(huì)一個(gè)MDR寄存器中，最后寫入到內(nèi)存。

7、這就是馮諾依曼結(jié)構(gòu)圖，也就是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

關(guān)于CPU的多核和多線程

1、CPU的物理個(gè)數(shù)由主板上的插槽數(shù)量決定，每個(gè)CPU可以有多核心，每核心可能會(huì)有多線程。

2、多核CPU的每核(每核都是一個(gè)小芯片)，在OS看來都是一個(gè)獨(dú)立的CPU。

3、對于超線程CPU來說，每核CPU可以有多個(gè)線程(數(shù)量是兩個(gè)，比如1核雙線程，2核4線程，4核8線程)，每個(gè)線程都是一個(gè)虛擬的邏輯CPU(比如windows下是以邏輯處理器的名稱稱呼的)，而每個(gè)線程在OS看來也是獨(dú)立的CPU。

這是欺騙操作系統(tǒng)的行為，在物理上仍然只有1核，只不過在超線程CPU的角度上看，它認(rèn)為它的超線程會(huì)加速程序的運(yùn)行。

4、要發(fā)揮超線程優(yōu)勢，需要操作系統(tǒng)對超線程有專門的優(yōu)化。

5、多線程的CPU在能力上，比非多線程的CPU核心要更強(qiáng)，但每個(gè)線程不足以與獨(dú)立的CPU核心能力相比較。

6、每核上的多線程CPU都共享該核的CPU資源。

例如，假設(shè)每核CPU都只有一個(gè)"發(fā)動(dòng)機(jī)"資源，那么線程1這個(gè)虛擬CPU使用了這個(gè)"發(fā)動(dòng)機(jī)"后，線程2就沒法使用，只能等待。

所以，超線程技術(shù)的主要目的是為了增加流水線(參見前文對流水線的解釋)上更多個(gè)獨(dú)立的指令，這樣線程1和線程2在流水線上就盡量不會(huì)爭搶該核CPU資源。所以，超線程技術(shù)利用了superscalar(超標(biāo)量)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

7、多線程意味著每核可以有多個(gè)線程的狀態(tài)。比如某核的線程1空閑，線程2運(yùn)行。

8、多線程沒有提供真正意義上的并行處理，每核CPU在某一時(shí)刻仍然只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)榫€程1和線程2是共享某核CPU資源的。可以簡單的認(rèn)為每核CPU在獨(dú)立執(zhí)行進(jìn)程的能力上，有一個(gè)資源是唯一的，線程1獲取了該資源，線程2就沒法獲取。

但是，線程1和線程2在很多方面上是可以并行執(zhí)行的。比如可以并行取指、并行解碼、并行執(zhí)行指令等。所以雖然單核在同一時(shí)間只能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程，但線程1和線程2可以互相幫助，加速進(jìn)程的執(zhí)行。

并且，如果線程1在某一時(shí)刻獲取了該核執(zhí)行進(jìn)程的能力，假設(shè)此刻該進(jìn)程發(fā)出了IO請求，于是線程1掌握的執(zhí)行進(jìn)程的能力，就可以被線程2獲取，即切換到線程2。這是在執(zhí)行線程間的切換，是非常輕量級的。(WIKI: if resources for one process are not available, then another process can continue if its resources are available)

9、多線程可能會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象：假如2核4線程CPU，有兩個(gè)進(jìn)程要被調(diào)度，那么只有兩個(gè)線程會(huì)處于運(yùn)行狀態(tài)，如果這兩個(gè)線程是在同一核上，則另一核完全空轉(zhuǎn)，處于浪費(fèi)狀態(tài)。更期望的結(jié)果是每核上都有一個(gè)CPU分別調(diào)度這兩個(gè)進(jìn)程。

關(guān)于CPU上的高速緩存

1、高速的緩存是CPU的寄存器，它們和CPU的材料相同，最靠近CPU或最接近CPU，訪問它們沒有時(shí)延(<1ns)。但容量很小，小于1kb。

32bit：32*32比特=128字節(jié)

64bit：64*64比特=512字節(jié)

2、寄存器之下，是CPU的高速緩存。分為L1緩存、L2緩存、L3緩存，每層速度按數(shù)量級遞減、容量也越來越大。

3、每核心都有一個(gè)自己的L1緩存。L1緩存分兩種：L1指令緩存(L1-icache)和L1數(shù)據(jù)緩存(L1-dcache)。L1指令緩存用來存放已解碼指令，L1數(shù)據(jù)緩存用來放訪問非常頻繁的數(shù)據(jù)。

4、L2緩存用來存放近期使用過的內(nèi)存數(shù)據(jù)。更嚴(yán)格地說，存放的是很可能將來會(huì)被CPU使用的數(shù)據(jù)。

5、多數(shù)多核CPU的各核都各自擁有一個(gè)L2緩存，但也有多核共享L2緩存的設(shè)計(jì)。無論如何，L1是各核私有的(但對某核內(nèi)的多線程是共享的)。

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