46、硬件基础：处理器、缓存与架构解析

硬件基础：处理器、缓存与架构解析

在计算机硬件的世界里，理解各种组件的工作原理和相互关系对于优化程序性能至关重要。本文将深入探讨处理器、线程、互连、内存、缓存等硬件基础知识，并分析它们对程序性能的影响。

1. 处理器与线程

• 多处理器架构 ：多处理器由多个硬件处理器组成，每个处理器执行一个顺序程序。在讨论多处理器架构时，基本的时间单位是周期，即处理器获取并执行一条指令所需的时间。随着技术的进步，周期时间会发生变化，不同平台的周期时间也有所不同。例如，控制烤面包机的处理器周期比控制 Web 服务器的处理器周期长。不过，以周期表示的指令相对成本（如内存访问）变化缓慢。
• 线程 ：线程是一个顺序程序，与作为硬件设备的处理器不同，线程是一种软件构造。处理器可以运行一个线程一段时间，然后将其搁置并运行另一个线程，这一事件称为上下文切换。处理器搁置线程的原因有很多，比如线程发出了一个需要一段时间才能满足的内存请求，或者该线程已经运行了足够长的时间，是时候让其他线程取得进展了。当一个线程被搁置时，它可以在另一个处理器上恢复执行。

2. 互连架构

• SMP 架构 ：SMP（对称多处理）架构中，处理器和内存通过总线互连，总线是一种广播介质，类似于小型以太网。处理器和主内存都有总线控制器单元，负责发送和监听总线上广播的消息（监听有时也称为窥探）。如今，SMP 架构最为常见，因为它们最容易构建，但对于大量处理器来说，它们的可扩展性较差，因为最终总线会过载。
• NUMA