深入理解计算机系统（一、计算机系统漫游）

中央处理单元（CPU），简称处理器，是解释（或执行）存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个字长的存储设备（或寄存器），成为程序计数器（PC）。在任何时刻，PC都指向主存中的某条机器语言指令（即含有该条指令的地址）。

从系统通电开始，直到系统断电，处理器一直在不断的执行程序计数器指向的指令，再更新程序计数器，使其指向下一条指令。操作是围绕着主存、寄存器文件和算术/逻辑单元（ALU）进行的。

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。

寄存器文件是一个小的存储设备，由一些1字长的寄存器组成，每个寄存器都有唯一的名字。

ALU计算新的数据和地址值。

CPU在指令的要求下可能会执行以下操作：

加载：把一个字节或一个字从主存复制到寄存器，以覆盖寄存器原来的内容；

存储：把一个字节或一个字从寄存器复制到主存的某个位置，以覆盖这个位置上原来的内容；

操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对这两个字做算术操作，并将结果存放到一个寄存器中，以覆盖该寄存器中原来的内容。

跳转：从指令本身中抽取一个字，并将这个字复制到程序计数器（PC）中，以覆盖PC中原来的值。

处理器从寄存器文件中读数据的速度比从主存中读取速度快很多。针对寄存器和和主存之间的差异，可采用更小更快的存储设备，即高速缓存存储器（简称高速缓存），作为暂时的集结区域，用来存放处理器近期可能会需要的信息。系统可以获得一个很大的存储器，同时访问速度也很快，原因是利用了高速缓存的局部性原理，即程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。通过让高速缓存里存放可能经常访问的数据的方法，大部分的存储器操作都能在快速的高速缓存中完成。即：可利用高速缓存将程序的性能提高一个数量级。

存储器层次结构（主要思想：上一层的存储器作为低一层存储器的高速缓存）如下图：

超线程，即：同时多线程，是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。它涉及CPU某些硬件有多个备份，比如程序计数器和寄存器文件；而其他的硬件部分只有一份，比如执行浮点算术运算的单元。常规的处理器需要大约20 000个时钟周期做不同线程间的转换，而超线程的处理器可以在单个周期的基础上决定要执行哪一个线程。这使得CPU能够更好地利用它的处理资源。例如：假设一个线程必须等到某些数据被装载到高速缓存中，那CPU就可以继续去执行另一个线程。例如：Intel Core i7处理器可以让一个核执行两个线程，所以一个4核的系统实际上可以并行的执行8个线程。即：多线程可以并发而高效的执行。