2021-02-23 分類: 網(wǎng)站建設(shè)
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。再然后取下一個指令、解碼、執(zhí)行,以此類推直到程序退出。
2、這個取指、解碼、執(zhí)行三個過程構(gòu)成一個CPU的基本周期。
3、每個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:
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,流水線的最后一個單元——執(zhí)行單元正在執(zhí)行第n條指令,而前一個單元可以對第n+1條指令進(jìn)行解碼,再前一個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,然后每個取指+解碼的部分都以并行的方式運(yùn)行。比如有2個取指+解碼的并行工作線路,每個工作線路都將解碼后的指令放入一個緩存緩沖區(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)行一個指令讓CPU返回到用戶態(tài)。
13、除了系統(tǒng)調(diào)用會陷入內(nèi)核,更多的是硬件會引起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需要使用一個叫做存儲器(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)
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中還有一個控制器(CU, Control Unit),負(fù)責(zé)將存儲器中的數(shù)據(jù)送到ALU中去做運(yùn)算,并將運(yùn)算后的結(jié)果存回到存儲器中。
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,每個指令對應(yīng)一個基本操作,比如加法運(yùn)算對應(yīng)一個指令。
6、例如,將兩個MDR寄存器(保存了來自內(nèi)存的兩個數(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)果拷貝會一個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的物理個數(shù)由主板上的插槽數(shù)量決定,每個CPU可以有多核心,每核心可能會有多線程。
2、多核CPU的每核(每核都是一個小芯片),在OS看來都是一個獨(dú)立的CPU。
3、對于超線程CPU來說,每核CPU可以有多個線程(數(shù)量是兩個,比如1核雙線程,2核4線程,4核8線程),每個線程都是一個虛擬的邏輯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"發(fā)動機(jī)"資源,那么線程1這個虛擬CPU使用了這個"發(fā)動機(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)行一個進(jìn)程,因?yàn)榫€程1和線程2是共享某核CPU資源的??梢院唵蔚恼J(rèn)為每核CPU在獨(dú)立執(zhí)行進(jìn)程的能力上,有一個資源是唯一的,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、多線程可能會出現(xiàn)一種現(xiàn)象:假如2核4線程CPU,有兩個進(jìn)程要被調(diào)度,那么只有兩個線程會處于運(yùn)行狀態(tài),如果這兩個線程是在同一核上,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CPU分別調(diào)度這兩個進(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)。
網(wǎng)站題目:CPU 基本組成原理你懂了嗎?
瀏覽地址:http://m.rwnh.cn/news7/102457.html
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