计算机的大脑 CPU

晶体管

1. N型MOS管
2. P型MOS管

算术逻辑单元 ALU

晶体管–>门电路–>加法器–>ALU

既可以做逻辑运算、也可以做算术运算、成为计算机CPU中非常核心的组件。

寄存器

在 CPU 工作过程中需要存储一些数据、比如存储将要执行的指令地址、存储运行过程中的一些状态信息、存储运算需要的数据、如果这些都保存在内存那里、不仅麻烦而去不安全、读写也慢。

所在 CPU 内部、专门设置了一些存储电路来保存数据、这就是寄存器

指令

1. 一条指令只完成一个基本操作的精简指令集 RISC 、它们的指令长度基本上是固定的。比如 ARM
2. 一条指令可以完成一个复杂功能的复杂指令集 CISC、它们的指令长度基本上是不固定的 x86

指令执行的过程

1. 读取指令

   读取指令的电路会根据指令寄存器从内存中读取要执行的指令、交给指令译码电路来处理

2. 指令译码

   译码电路会分析出这条指令的长度、就知道这个指令从哪里开始

3. 指令执行

   ALU 来执行这条指令所代表的功能

4. 数据回写

   将结果写入到对应的位置

指令流水线

指令流水线遇到的问题(冒险)

1. 结构冒险

   流水线出现硬件资源竞争。比如执行指令需要从内存向寄存器读取数据、不巧的是、这个时候也需要读取指令、也需要访问内存

2. 数据冒险

   流水线中后面的指令需要等待前面指令完成数据的读写。依赖前面指令的结果

3. 控制冒险

   流水线需要根据前面指令的执行结果来决定下一步去哪儿执行

遇到这些问题只能让流水线停顿下来等待、等待前面的指令完成、再继续工作

缓存

使用 SRAM(静态随机存储器)、耗用很多的晶体管、大小只有 64kb

缓存行一般为 64字节、每个缓存行有标志位：现在只有失效、脏数据两种状态

内存中读取的数据放在缓存的哪个位置上？

取模之后再用列表存储，如果列表的长度为2、则为二路组相连。如果为4则为四路组相连。

指令缓存和数据缓存

将指令和数据在缓存中分开存储、这样子能大大减少流水线执行的结构冒险

A 执行指令需要读取数据

B 读取指令

如果都在缓存中、如果缓存没有分类、那么A和B不能同时执行，如果分类了的话、分别走不同的线路同时获取

多核缓存不一致引发的问题

缓存一致性协议 MESI

各个 CPU 之间拉了一条新的专线、用于CPU 之间进行信息沟通、不同于CPU外部的总线系统、大家把它叫做片内总线

1. M modify 已修改

   缓存行已经被修改、与内存的值不一样。

2. E exclude 独占

   缓存行只存在当前 CPU 核心缓存中、而且和内存中数据一样

3. S share

   缓存行存在于多个 CPU 核心缓存中、而且和内存中的内容一致

4. I invalid 无效

   缓存行是无效丢

指令乱序执行

在指令经过译码之后、进入 ALU 执行之前、我们设置了一个缓冲区、指令会先到这里排队。

在这缓冲区中、会登记指令是否有数据依赖、具体依赖什么数据、需要用到执行部件有哪些、当前是否繁忙、以及需要读写的寄存器是哪些等信息。这个缓冲区我们称它为保留站。随后指令调度单元就可以去这个缓冲区挑选没有依赖的指令来执行。

内部新增来很多内部寄存器、这些是程序看不到的、在进入保留站之前、我们会讲其要操作的寄存器进行映射、这样执行的时候实际操作的是内部寄存器、就不会冲突了。

重排序缓冲区

指令在内部是乱序执行的、但不能把结果直接进行回写。所以得按照它们实际的顺序重新排序后再回写。所以在外面看来指令还是按顺序一条条执行的、但是内部真正执行的时候是打乱的、但这个不会影响程序的逻辑。

通过指令乱序执行、可以减少数据冒险带来的停顿了。

分支预测

针对指令流水线遇到的控制冒险、我们有相当大的概率预测正确后续执行的分支、不用再把流水线停顿下来。

预测错了怎么办？

错了就错了呗、大不了把已经进入流水线中还没处理完的指令中间结果全部清除、当没事发生过。

一条指令同时处理多个数据

并行处理

单条指令多数据流 SIMD single instruction multiple data

比如说对一个数据里面的元素都 + 1

超线程技术

一个核同时执行两个线程

每个 CPU 分成两套班子、各自维护一套寄存器、对外宣称我们有两个不同的物理核心、但实际上缓存和计算资源只有一套。

在执行指令的时候、充分利用等待时间去执行另一个线程的指令。这样子就不用担心指令以来的问题了。比如说内存读取缓慢、指令依赖等方面的原因、虽然有乱序执行、但是找到没有依赖的指令还是不那么容易。

还有就是如果遇到资源闲置的时候、可以同时执行两个线程的指令、比如一个是整数运算指令、一个是浮点数运算指令。

绝大多数能提升 20 -30 % 就很不错啦

CPU 如何管理内存的

8086 CPU 的老祖宗

没有操作系统的时候、程序执行直接使用真实内存地址、实地址模式。

虚拟内存、保护模式。

每个程序都可以使用 0x000 到 0xfff 总共 4GB 那么大范围的地址空间、当然不会真的分配那么多空间、物理内存总共也没有那么大。

而是按需分配、分配的单位是页、32 位的一页是4kb、分配管理的活是操作系统做的。CPU 只要做好地址翻译的工作就好了。

CR3 寄存器专门用来指向一个地址翻译查询字段。32位地址划分为3部分、前面两部分分别指向两级目录的条目、用来定位地址在物理内存的哪个页、最后一部分就是指向物理内存页面的偏移、这就是地址翻译的工作。

分页交换

随着程序越来越多、对内存的需求页越来越大、内存空间很快就要耗尽。

去硬盘空间中划分一块区域来、把在内存长时间没有用到的页面换到这块区域，然后做个标志、如果后面谁访问那个页面、CPU 就就先检查、如果有这个标志、就发送一个错误的中断信号给操作系统去把那个页面换回来。

GPU 和 CPU 有啥区别

SIMT 单指令多线程技术 批量执行计算 GPU 的

SIMD 单指令多数据流 批量操作数据 CPU 的

https://book.douban.com/subject/36428782/