CPU介绍

大家好，又见面了，我是全栈君

CPU内核主要分为两部分：运算器和控制器。

(一) 运算器

cpu基本想到的是计算，因此有算数计算，还有逻辑计算单元以及移位简单的运算；fp运算单独拿出；要运算就需要输入数字，因此有寄存器组，即通用寄存器组，可以程序改变的比如，把某个数置到被加数的寄存器中；还有表示一些状态的专用寄存器比如进位了，这些只能有cpu自己决定，不能程序改变；

1、 算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic and Logic Unit）

算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非异或）；

由两个输入端和一个输出端；

2、 浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）

3、通用寄存器组

4、 专用寄存器

(二) 控制器 　　运算器只能完成运算，而控制器用于控制着整个CPU的工作

控制频率；控制指令；控制中断；控制总线

1、 指令控制器

　　指令控制器是控制器中相当重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交给执行单元（ALU或FPU）来执行，同时还要形成下一条指令的地址。

2、 时序控制器

时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元，其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号，就是CPU的主频；而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率（总线频率）的几倍。

3、 总线控制器

　　总线控制器主要用于控制CPU的内外部总线，包括地址总线、数据总线、控制总线等等。

4、中断控制器

　　中断控制器用于控制各种各样的中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。

（三） CPU性能的决定：显然ALU速度应该差不多，可使用多个ALU提高处理速度，即超标量； 还有一条指令的执行分成5步，可以并行执行两条指令的不同步骤，即流水线技术具体为一条具体的指令执行过程，通常可以分为五个部分：取指令，指令译码，取操作数，运算（ALU），写结果。其中前三步一般由指令控制器完成，后两步则由运算器完成，当指令控制器完成了第一条指令的前三步后，直接开始第二条指令的操作，运算单元也是。这样就形成了流水线系统，这是一条2级流水线；有3个alu2个控制器，则为5级流水线。

1、超标量（Superscalar）

2、流水线（Pipeline）

　　流水线是现代RISC核心的一个重要设计，它极大地提高了性能。

　　对于一条具体的指令执行过程，通常可以分为五个部分：取指令，指令译码，取操作数，运算（ALU），写结果。其中前三步一般由指令控制器完成，后两步则由运算器完成。按照传统的方式，所有指令顺序执行，那么先是指令控制器工作，完成第一条指令的前三步，然后运算器工作，完成后两步，在指令控制器工作，完成第二条指令的前三步，在是运算器，完成第二条指令的后两部……很明显，当指令控制器工作是运算器基本上在休息，而当运算器在工作时指令控制器却在休息，造成了相当大的资源浪费。解决方法很容易想到，当指令控制器完成了第一条指令的前三步后，直接开始第二条指令的操作，运算单元也是。这样就形成了流水线系统，这是一条2级流水线。

　　如果是一个超标量系统，假设有三个指令控制单元和两个运算单元，那么就可以在完成了第一条指令的取址工作后直接开始第二条指令的取址，这时第一条指令在进行译码，然后第三条指令取址，第二条指令译码，第一条指令取操作数……这样就是一个5级流水线。很显然，5级流水线的平均理论速度是不用流水线的4倍。

　　流水线系统最大限度地利用了CPU资源，使每个部件在每个时钟周期都工作，大大提高了效率。但是，流水线有两个非常大的问题：相关和转移。

　　在一个流水线系统中，如果第二条指令需要用到第一条指令的结果，这种情况叫做相关。以上面哪个5级流水线为例，当第二条指令需要取操作数时，第一条指令的运算还没有完成，如果这时第二条指令就去取操作数，就会得到错误的结果。所以，这时整条流水线不得不停顿下来，等待第一条指令的完成。这是很讨厌的问题，特别是对于比较长的流水线，比如20级，这种停顿通常要损失十几个时钟周期。目前解决这个问题的方法是乱序执行。乱序执行的原理是在两条相关指令中插入不相关的指令，使整条流水线顺畅。比如上面的例子中，开始执行第一条指令后直接开始执行第三条指令（假设第三条指令不相关），然后才开始执行第二条指令，这样当第二条指令需要取操作数时第一条指令刚好完成，而且第三条指令也快要完成了，整条流水线不会停顿。当然，流水线的阻塞现象还是不能完全避免的，尤其是当相关指令非常多的时候。

　　另一个大问题是条件转移。在上面的例子中，如果第一条指令是一个条件转移指令，那么系统就会不清楚下面应该执行那一条指令？这时就必须等第一条指令的判断结果出来才能执行第二条指令。条件转移所造成的流水线停顿甚至比相关还要严重的多。所以，现在采用分支预测技术来处理转移问题。虽然我们的程序中充满着分支，而且哪一条分支都是有可能的，但大多数情况下总是选择某一分支。比如一个循环的末尾是一个分支，除了最后一次我们需要跳出循环外，其他的时候我们总是选择继续循环这条分支。根据这些原理，分支预测技术可以在没有得到结果之前预测下一条指令是什么，并执行它。现在的分支预测技术能够达到90%以上的正确率，但是，一旦预测错误，CPU仍然不得不清理整条流水线并回到分支点。这将损失大量的时钟周期。所以，进一步提高分支预测的准确率也是正在研究的一个课题。

　　越是长的流水线，相关和转移两大问题也越严重，所以，流水线并不是越长越好，超标量也不是越多越好，找到一个速度与效率的平衡点才是最重要的。

（四）CPU的外核

1、解码器（Decode Unit）

　　这是x86CPU才有的东西，它的作用是把长度不定的x86指令转换为长度固定的类似于RISC的指令，并交给RISC内核。解码分为硬件解码和微解码，对于简单的x86指令只要硬件解码即可，速度较快，而遇到复杂的x86指令则需要进行微解码，并把它分成若干条简单指令，速度较慢且很复杂。好在这些复杂指令很少会用到。

　　Athlon也好，PIII也好，老式的CISC的x86指令集严重制约了他们的性能表现。

2、一级缓存和二级缓存（Cache）

　　一级缓存和二级缓存是为了缓解较快的CPU与较慢的存储器之间的矛盾而产生的，一级缓存通常集成在CPU内核。

高速缓冲存储器Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在Cache中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。由此可见，在CPU中加入Cache是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（Cache+内存）就变成了既有Cache的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。Cache对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与Cache间的带宽引起的。

　　高速缓存的工作原理

　　1． 读取顺序

　　CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行，不必再调用内存。

　　正是这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说，CPU读取数据的顺序是先Cache后内存。

　　2． 缓存分类

　　前面是把Cache作为一个整体来考虑的，现在要分类分析了。Intel从Pentium开始将Cache分开，通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。

　　在以往的观念中，L1 Cache是集成在CPU中的，被称为片内Cache。在L1中还分数据Cache（I-Cache）和指令Cache（D-Cache）。它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令，而且两个Cache可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。

　　在P4处理器中使用了一种先进的一级指令Cache——动态跟踪缓存。它直接和执行单元及动态跟踪引擎相连，通过动态跟踪引擎可以很快地找到所执行的指令，并且将指令的顺序存储在追踪缓存里，这样就减少了主执行循环的解码周期，提高了处理器的运算效率。

　　以前的L2 Cache没集成在CPU中，而在主板上或与CPU集成在同一块电路板上，因此也被称为片外Cache。但从PⅢ开始，由于工艺的提高L2 Cache被集成在CPU内核中，以相同于主频的速度工作，结束了L2 Cache与CPU大差距分频的历史，使L2 Cache与L1 Cache在性能上平等，得到更高的传输速度。L2Cache只存储数据，因此不分数据Cache和指令Cache。在CPU核心不变化的情况下，增加L2 Cache的容量能使性能提升，同一核心的CPU高低端之分往往也是在L2 Cache上做手脚，可见L2 Cache的重要性。现在CPU的L1 Cache与L2 Cache惟一区别在于读取顺序。

　　3． 读取命中率

　　CPU在Cache中找到有用的数据被称为命中，当Cache中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中），CPU才访问内存。从理论上讲，在一颗拥有2级Cache的CPU中，读取L1 Cache的命中率为80%。也就是说CPU从L1 Cache中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从L2 Cache读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取L2的命中率也在80%左右（从L2读到有用的数据占总数据的16%）。那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了。在一些高端领域的CPU（像Intel的Itanium）中，我们常听到L3 Cache，它是为读取L2 Cache后未命中的数据设计的—种Cache，在拥有L3 Cache的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。

　　为了保证CPU访问时有较高的命中率，Cache中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出Cache，提高Cache的利用率。

　　缓存技术的发展

　　总之，在传输速度有较大差异的设备间都可以利用Cache作为匹配来调节差距，或者说是这些设备的传输通道。在显示系统、硬盘和光驱，以及网络通讯中，都需要使用Cache技术。但Cache均由静态RAM组成，结构复杂，成本不菲，使用现有工艺在有限的面积内不可能做得很大，不过，这也正是技术前进的源动力，有需要才有进步!

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