3.计算机基础之简述CPU

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title: 3.计算机基础之简述CPU
date: 2020-08-13 11:50:47
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CPU

中央处理器（CPU，central processing unit）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指令集

我们以人作为比喻，我们需要往前走的时候，手和脚会不自觉的进行协同前进，但是，我们并不会主观计算到，某个肌肉具体是怎么收缩运动的，如何进行协同，都是我们的大脑自动进行运算的

在现代CPU中同样集成了类似的功能，程序员编程的目的是为了控制计算机硬件工作，程序员的代码都会转换成cpu的指令集才能去控制其他硬件，所以程序员是通过直接控制cpu来达到间接控制其他硬件的目的

程序----->CPU内部指令----->计算机硬件的操作

CPU分类

CPU的分类通常就是按照指令集进行分类的，通常分为两种，精简指令集和复杂指令集

精简指令集

精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：这种CPU的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等。

复杂指令集

复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。

比较

CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种，区别在于前者的指令集精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。后者的指令集每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。

x86架构64位

X86

x86是针对cpu的型号或者说架构的一种统称，详细地讲，最早的那颗Intel发明出来的CPU代号称为8086，后来在8086的基础上又开发出了80285、80386…，因此这种架构的CPU就被统称为x86架构了。

由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机上面，因此，个人计算机常被称为x86架构的计算机！

程序员开发出的软件最终都要翻译成cpu的指令集才能运行，因此软件的版本必须与cpu的架构契合，举个例子，我们在MySQL官网下载软件MySQL时名字为：

Windows(x86,32-bit),ZIP Archive (mysql-5.7.20-win32.zip)

我们发现名字中有x86，这其实就是告诉我们：该软件应该运行在x86架构的计算机上。

64位/32位

回看程序运行过程，CPU会从内存中读取指令，然后进行运算，而cpu的位数就指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的是一次性能从内存中取出64位二进制指令

在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位，到现在，个人计算机CPU通常都是x86_64的架构。

64位/32位的概念通常指的是数据总线的大小，具体的运算结果64位CPU和算术逻辑单元架构是以寄存器、内存总线或者数据总线的大小为基准

cpu具有向下兼容性

指的是64位的cpu既可以运行64位的软件，也可以运行32位的软件，而32位的cpu只能运行32位的软件。这其实很好理解，如果把cpu的位数当成是车道的宽，而内存中软件的指令当做是待通行的车辆，宽64的车道每次肯定既可以通行64辆车，也可以通行32辆车，而宽32的车道每次却只能通行32辆车

寄存器

硬盘的速度远远小于CPU，所以为了方便CPU高速取数据，所以就有了内存

但内存的速度也小于CPU，CPU是通过高低电频逐步进行的数据运算，如果每个都需要单独从CPU逐个读取，CPU就会花费大量时间等待内存读取，会拖累CPU的运算速度，所以就有了寄存器。

寄存器通常在CPU内部，制作材料通常与CPU相同，尽可能的保证与CPU的频率相同，在运算时，可以将重复性高重要的数据放到寄存器，CPU可以从寄存器里直接快速加载，从而提升预算效率

CPU工作流程

CPU的核心工作在于进行运算和判断，CPU首先会从内存代码段中读取指令放于指令寄存器，让控制单元进行控制，当运算到需要加载数据的时候，从内存数据段读取数据，然后放于存储单元，运算单元从存储单元读取数据进行运算和暂存，运算完成后，在将数据送回内存数据段

内核态和用户态

计算机最核心的就是CPU，而CPU最核心的就是内部的指令集，CPU主要做两件事，一是运算，二是控制，所以CPU内部指令集也应该分为运算指令集和控制指令集

我们写的程序是直接控制CPU，CPU转换成指令集在控制其他硬件

程序又分为系统程序和应用程序，系统程序可以控制硬件，而应用程序不能直接控制硬件

CPU有两种工作状态

内核态：系统的操作内核

CPU所有的指令集都开放

用户态：用户应用程序

只开放运算相关指令集

CPU由于会同时运行“操作系统“和“应用程序“，且应用程序需要调用操作系统操作硬件，所以内核态和用户态会频繁切换

多线程和多核芯片

我们把CPU进行一个比喻，一核代表工厂，一线程代表工厂里的流水线，原本一个工厂里面只有一条流水线，现在放进去了两条流水线，就叫一核二线程，但是工厂里不光只有流水线，还有原料运算等其他部分的存在，所以并不能等同于两个工厂的效率

2核4线程：
	2核代表有两个cpu，4线程指的是每个cpu都有两个线程=》假4核
4核8线程
	4核代表有4个cpu，8线程指的是每个cpu都有两个线程=》假8核

moore定律指出，芯片中的晶体管数量每18个月翻一倍，随着晶体管数量的增多，更强大的功能称为了可能，如

第一步增强：在cpu芯片中加入更大的缓存，一级缓存L1，用和cpu相同的材质制成，cpu访问它没有时延

第二步增强：一个cpu中的处理逻辑增多，intel公司首次提出，称为多线程（multithreading）或超线程（hyperthreading），对用户来说一个有两个线程的cpu就相当于两个cpu，我们后面要学习的进程和线程的知识就起源于这里，进程是资源单位而线程才是cpu的执行单位。

多线程运行cpu保持两个不同的线程状态，可以在纳秒级的时间内来回切换，速度快到你看到的结果是并发的，伪并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程）

第三步增强：除了多线程，还出现了傲寒2个或者4个完整处理器的cpu芯片，如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统

并行的，然而多线程不提供真正的并行处理，一个cpu同一时刻只能处理一个进程（一个进程中至少一个线程）

第三步增强：除了多线程，还出现了傲寒2个或者4个完整处理器的cpu芯片，如下图。要使用这类多核芯片肯定需要有多处理操作系统