CPU 的一些基本知识总结( 二 ) _CPU

2、运算操作涉及到数据输入(input)、处理、数据输出(output)，a和b是输入数据，加法运算是处理，c是输出数据。

3、CPU需要使用一个叫做存储器(也就是各种寄存器)的东西保存输入和输出数据。以下是几种常见的寄存器(前文也介绍了一些)

MAR: memory address register，保存将要被访问数据在内存中哪个地址处，保存的是地址值
MDR: memory data register，保存从内存读取进来的数据或将要写入内存的数据，保存的是数据值
AC: Accumulator，保存算术运算和逻辑运算的中间结果，保存的是数据值
PC: Program Counter，保存下一个将要被执行指令的地址，保存的是地址值
CIR: current instruction register，保存当前正在执行的指令

4、CPU还要将一些常用的基本运算工具(如加法器)放进CPU，这部分负责运算，称为算术逻辑单元(ALU, Arithmetic Logic Unit) 。
5、CPU中还有一个控制器(CU, Control Unit)，负责将存储器中的数据送到ALU中去做运算，并将运算后的结果存回到存储器中。

控制器还包含了一些控制信号。

6、控制器之所以知道数据放哪里、做什么运算(比如是做加法还是逻辑运算?)都是由指令告诉控制器的，每个指令对应一个基本操作，比如加法运算对应一个指令。
7、例如，将两个MDR寄存器(保存了来自内存的两个数据)中的值拷贝到ALU中，然后根据指定的操作指令执行加法运算，将运算结果拷贝会一个MDR寄存器中，最后写入到内存。
7、这就是冯诺依曼结构图，也就是现在计算机的结构图。

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关于CPU的多核和多线程
1、CPU的物理个数由主板上的插槽数量决定，每个CPU可以有多核心，每核心可能会有多线程。
2、多核CPU的每核(每核都是一个小芯片)，在OS看来都是一个独立的CPU 。
3、对于超线程CPU来说，每核CPU可以有多个线程(数量是两个，比如1核双线程，2核4线程，4核8线程)，每个线程都是一个虚拟的逻辑CPU(比如windows下是以逻辑处理器的名称称呼的)，而每个线程在OS看来也是独立的CPU 。
这是欺骗操作系统的行为，在物理上仍然只有1核，只不过在超线程CPU的角度上看，它认为它的超线程会加速程序的运行。

文章插图

4、要发挥超线程优势，需要操作系统对超线程有专门的优化。
5、多线程的CPU在能力上，比非多线程的CPU核心要更强，但每个线程不足以与独立的CPU核心能力相比较。
6、每核上的多线程CPU都共享该核的CPU资源。
例如，假设每核CPU都只有一个"发动机"资源，那么线程1这个虚拟CPU使用了这个"发动机"后，线程2就没法使用，只能等待。
所以，超线程技术的主要目的是为了增加流水线上更多个独立的指令，这样线程1和线程2在流水线上就尽量不会争抢该核CPU资源。所以，超线程技术利用了superscalar(超标量)架构的优点。
7、多线程意味着每核可以有多个线程的状态。比如某核的线程1空闲，线程2运行。
8、多线程没有提供真正意义上的并行处理，每核CPU在某一时刻仍然只能运行一个进程，因为线程1和线程2是共享某核CPU资源的。可以简单的认为每核CPU在独立执行进程的能力上，有一个资源是唯一的，线程1获取了该资源，线程2就没法获取。
但是，线程1和线程2在很多方面上是可以并行执行的。比如可以并行取指、并行解码、并行执行指令等。所以虽然单核在同一时间只能执行一个进程，但线程1和线程2可以互相帮助，加速进程的执行。
并且，如果线程1在某一时刻获取了该核执行进程的能力，假设此刻该进程发出了IO请求，于是线程1掌握的执行进程的能力，就可以被线程2获取，即切换到线程2 。这是在执行线程间的切换，是非常轻量级的。(WIKI: if resources for one process are not available, then another process can continue if its resources are available)
9、多线程可能会出现一种现象：假如2核4线程CPU，有两个进程要被调度，那么只有两个线程会处于运行状态，如果这两个线程是在同一核上，则另一核完全空转，处于浪费状态。更期望的结果是每核上都有一个CPU分别调度这两个进程。
关于CPU上的高速缓存
1、最高速的缓存是CPU的寄存器，它们和CPU的材料相同，最靠近CPU或最接近CPU，访问它们没有时延(<1ns) 。但容量很小，小于1kb 。