CPU相关知识点

CPU的概念

中央处理器（central processing unit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

 

CPU内部结构

控制单元

控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和 操作控制器OC（Operation Controller） 等组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码（分析）确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括：节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

运算单元

运算单元是运算器的核心。可以执行算术运算（包括加减乘数等基本运算及其附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或两个值比较）。相对控制单元而言，运算器接受控制单元的命令而进行动作，即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

存储单元

存储单元包括 CPU 片内缓存Cache和寄存器组，是 CPU 中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。 寄存器是CPU内部的元件，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。采用寄存器，可以减少 CPU 访问内存的次数，从而提高了 CPU 的工作速度。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据；而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。

总结

存储单元存储数据，控制单元发送指令到原酸单元进行算术运算和逻辑运算。

 

CPU缓存结构

为了减少CPU和内存的交互，现代CPU一般都是多级缓存架构，常见的为三级缓存架构

L1 Cache

分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占

L2 Cache

物理核独占，逻辑核共享

L3 Cache

所有物理核共享

存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器；
存储器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>内存；
还有一点值得注意的是：缓存是由最小的存储区块-缓存行(cacheline)组成，缓存行大小通常为64byte。缓存行是什么意思呢？比如你的L1缓存大小是512kb,而cacheline = 64byte,那么就是L1里有512 * 1024/64个cacheline。

CPU为何要有高速缓存

在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。

时间局部性（Temporal Locality）

如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。

空间局部性（Spatial Locality）

如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。

 

带有高速缓存的CPU执行计算的流程

1. 程序以及数据被加载到主内存
2. 指令和数据被加载到CPU的高速缓存
3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存
4. 高速缓存中的数据写回主内存
    

CPU运行安全等级

CPU有4个ring0，ring1，ring2，ring3，4种运行级别。Linux与Windows只用到了2个级别:ring0、ring3，操作系统内部内部程序指令通常运行在ring0级别，操作系统以外的第三方程序运行在ring3级别。
因此，JVM创建线程实际是属于重型操作，因为有以下几个步骤

1. CPU从ring3切换ring0创建线程
2. 创建完毕,CPU从ring0切换回ring3
3. 线程执行JVM程序
4. 线程执行完毕，销毁还得切会ring0