本文由[CPU阿甘](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxOTc0NzExNg==&mid=2665513017&idx=1&sn=5550ee714abd36d0b580713f673e670b&scene=21#wechat_redirect)改編而得，主要講的是系統啟動和程序執行時CPU做的工作。 # CPU的構成 中央處理器（CPU，Central Processing Unit）由運算器、控制器、Cache等。 - 控制器：主要是對指令進行譯碼。 - 運算器：主要是執行定點或者浮點運算等。 - 寄存器：主要功能是保存計算的中間結果 可以看出CPU的主要功能是接收指令，執行指令。不過CPU不能保存指令。 最大的優點在于**速度快**，以ns為單位，內存比它慢了100倍，硬盤比它慢了1000多萬倍。  下面我們主要介紹一下計算機從加電到加載操作系統中，CPU主要做了什么事情。  # 啟動 當計算機上電了以后，CPU就先會執行**內存最頂端的指令**，現是一條**跳轉指令**，所以會去執行BIOS里面的代碼。 我們知道BIOS的主要功能是**系統自檢**，看看內存、硬盤、顯卡等是否有問題。自檢完成以后，會產生**中斷**，BIOS會告訴CPU是多少號中斷。 中斷了以后，CPU怎么知道去哪里執行響應中斷的指令呢？我們可以用一張表來保存中斷指令的響應代碼，但是為了讓這張表不那么臃腫，可以讓這張表只保存響應代碼的**入口地址**。 比如 | 中斷類型號 | 響應指令的地址 | |-|-| | 0x01 | 地址A | | 0x02 | 地址B | | …… | …… | 這張表就稱為**中斷向量表**，保存的是響應中斷的指令的**入口地址**，類似于響應代碼的房間號。 CPU可以通過**中斷向量表**查找到對應的指令，這條指令的目的是把**磁盤的第一扇區（磁盤的BIOS）運到內存中**。 到目前為止，硬件的初始化就完成了，下面應該加載**操作系統**  # 運行程序 操作系統加載入內存中以后，會接管整個系統的管理工作。 下面我們來談一下如何運行程序。 首先操作系統會為CPU分配進程，不過對CPU而言，它只關心自己的**寄存器**和**程序計數器** - 寄存器：工作現場，包括一些計算的中間結果 - 程序計數器：要執行的下一條指令的地址。 要運行程序，首先需要從硬盤上加載程序。但是從硬盤上讀程序實在太慢，CPU沒有必要一直等著它，完全可以異步處理。 硬盤把返回的數據通過**直接內存訪問（DMA）**把數據裝載到內存中。這樣CPU就解放出來，切換到另一個進程里面，當然相關的運行環境（寄存器、程序計數器）發生了改變。 但是上一個進程不可能放棄不執行了吧，所以等到當上一個進程的數據已經裝載到了內存以后，CPU會收到一個中斷，這樣就可以切換回去了。 總結一下CPU的主要工作是，從內存中取出指令，進行譯碼，分解成為一系列的**微操作**，然后發出各種控制命令。 對CPU而言，主要關心的是它的寄存器和程序計數器，其中寄存器保存了計算的中間結果，而程序計數器可以用告訴CPU下一條指令去那里執行。  # 性能參數 CPU的主要性能參數有： - 主頻：表示CPU內數字脈沖信號震蕩的速度，與實際的運算速度沒有直接的聯系，比如1GHz的Itanium芯片與2.66GHz的至強芯片一樣快，因為CPU的運算速度除了有主頻的因素，還有CPU的流水線、總線等各方面的影響。 - 外頻：CPU的基準頻率，MHz，可以決定**主板**的運行速度，如果把CPU超頻了，可以CPU與主板會異步運行，所以整個系統有可能不穩定，一般來說服務器CPU不允許超頻。 - 總線頻率：指的是前端總線的頻率，而前端總線指的是CPU與北橋之間的總線。 那么總線頻率其實直接影響**CPU與內存的之間的交互速率**，即每秒CPU能接收的數據傳輸量。這點與外頻不一樣，外頻是整塊主板的運行速度。 - Cache：因為CPU與內存之間存在速度差，同時我們發現程序的加載有**局部性**的特點，也就是說一個內存位置被訪問了，附近的位置很快也會訪問到。那么我們完全可以把內存中的部分代碼提前加載到Cache里面。 既然Cache的主要作用是CPU與內存的緩沖層，那么Cache的速度應該接近于CPU，基本上是與CPU同頻運作。 緩存都集成在CPU芯片上，而CPU單位面積的價格很昂貴，Cache一般都很小。  # 指令集 我們知道CPU的主要功能是解析指令，執行指令，也就是說CPU是靠一條一條的指令來計算和控制整個系統的。 也就是說不管是什么CPU，都有與之相匹配的指令系統。常用的指令集有兩種 - 復雜指令集：一般來說程序的指令是按照順序串行執行的，而指令中的各個操作也是串行執行的。這樣控制簡單，但是利用率不高。 x86架構的CPU主要使用的就是復雜指令集，AMD屬于后起之秀，所以一定會兼容x86架構，它也是復雜指令架構的。 - 精簡指令集： 復雜指令集最大的缺點在于微處理器太過復雜，所以研發成本高。而精簡指令集，顧名思義，其指令系統得到大量的精簡，而且指令格式統一，所以可以使用流水線結構，處理速度就上去了。 服務器中采用RSIC指令的CPU主要有：PowerPC、MIPS處理器。  # 處理技術 本章主要介紹一下CPU體系架構里面常用的技術 ## 流水線 每條指令都會經過取指(Fetch)，譯碼(D1, main decode)，轉址(D2, translate)，執行(EX, execute)，寫回(WB)結果等步驟。 那么當CPU預取完畢，進行譯碼的時候，預取部分的電路單元其實是空閑的。那么能不能讓下一條指令進來執行預取的過程呢？答案是完全可以。 如下圖所示，我們可以每過一個周期放入一條指令，這樣在第5個時刻，最開始放入的指令其實已經執行到了最后一步WB了，第2條進入執行的指令比它晚一拍，執行到了EX上，其他的一次類推。 這樣不斷的有新的指令進入，同一時刻5條指令都在執行，只是說他們執行的階段不一樣。這樣就實現了并行處理。