计算机基本原理 学习笔记（五）
本篇目录
接上）
七、中央处理器CPU
1.CPU的结构
2. 提高CPU的速度
（1）硬件
（2）指令集
（3）缓存
（4）指令流水线
（5）超标量处理器
（6）多核处理器
3.超级计算机
4.小结：基本概念的组成关系
总结
接上一篇 学习笔记（四）
七、中央处理器CPU
1.CPU的结构
综上，一个CPU的大致结构如图。内存RAM是独立于CPU之外的，CPU通过数据线、地址线、控制线与内存通信。CPU内部有寄存器、算数逻辑单元ALU、控制单元CU、时钟。其中控制单元是指挥，算数逻辑单元负责具体计算（包括算术运算和逻辑运算），寄存器负责暂存少量数据，时钟负责发出规律的电信号来使CPU有序运行。
2. 提高CPU的速度
早期计算机的提速方式是尽可能减少晶体管的切换时间，但这最终会遇到瓶颈。CPU提速还有其它技巧。
（1）硬件
将常用的操作在硬件层面设计为单独的电路来运行，这样的ALU更复杂但CPU速度提升。现代处理器用专门的电路来处理图形、视频、加密等操作，如果使用标准电路来执行就需要更多的时钟周期。
（2）指令集
Intel4004是第一个集成CPU，有46条指令。之后的CPU指令越来越多，向下兼容，提供更加丰富的功能。
（3）缓存
CPU通过总线从内存中读取数据有一定的延迟，RAM的速度成为瓶颈，使得CPU空等数据。解决的方法是在CPU内部设计一小块存储器，即缓存，通常是kB级或MB级。内存可以一次传送一批数据到CPU中的缓存中，因为数据通常是按顺序处理的。当CPU需要数据时，如果数据在缓存中已经有了，这就时“缓存命中”，反之则是“缓存未命中”。因为缓存在CPU内部，一个时钟周期就能给数据，CPU无需空等。
缓存也可以用来存储运算结果的中间值，这样速度更快。但这可能产生缓存与RAM不一致的问题。所以缓存中每块空间有一个特殊标记，“脏位”（dirty bit），当缓存满了而CPU又要缓存时就检查“脏位”，若dirty bit 为true，就将缓存存储到内存中（清空缓存），然后再次使用缓存。
（4）指令流水线
一条指令的执行需要取指、解码、执行三个步骤，如果每条指令都按顺序执行的话，那一条指令需要三个时钟周期才能执行完。但其实这三个步骤使用的是CPU中的不同部件，因而可以形成流水线，进行并行处理。这样，就可以平均在一个时钟周期执行完一条指令。
但是有一个问题：一些指令之间存在依赖性，因此为了保证正确运行，就要停下流水线。于是，高级CPU会动态排序有依赖关系的指令，尽可能减少因为指令依赖关系而停下流水线的时间。这就是乱序执行，电路非常复杂，但效率高。
另一个问题是：条件跳转指令需要等待一些数据来做出判断，这会造成空等。跳转指令就像一个岔路口，需要数据来判断前进方向。现代处理器会提前预测可能的判断结果，将指令放进流水线，即“推测执行”。如果等数据出来，发现CPU猜对了，那么流水线上已经装满正确的指令，可以立即开始执行，这就提高了速度。但如果CPU猜错了，那么就要花时间清空流水线，然后再重新加载指令。这就像在岔路口选错了路，就掉头回去。通过一些复杂的电路设计，现代CPU进行“分支预测”的正确率超过90%，这就能大大提高效率。理想情况下，流水线一个时钟周期能完成一个指令。
（5）超标量处理器
超标量处理器就是一个时钟周期能完成超过一个的指令。有些指令在执行时，CPU中还是会有一些部件是空闲的，因此更优的设计是一次性处理多条指令（取指、解码）。也有的CPU中设计多个ALU，这样就可以同时进行多个数学运算。
（6）多核处理器
还可以使用多核处理器（一个CPU中有多个独立处理单元，每个处理单元可以共用一些资源）来同时运行多个指令流水线。也可以使用多个CPU。
3.超级计算机
中国无锡国家超算中心，神威·太湖之光超级计算机，有40960个CPU，每个CPU有256个核心，每个核心的频率是1.45GHz。
4.小结：基本概念的组成关系
总结
本篇内容：
1.CPU的结构
2.提高CPU运行效率的方法
计算机基本原理 学习笔记（五）相关推荐
- 计算机基本原理 学习笔记（八）
本篇目录 接上) 十一.软件工程 1.面向对象编程 2.软件开发工具 十二.集成电路&摩尔定律 1.数字暴政 2.集成电路IC 3.印刷电路板 3.光刻技术 4.摩尔定律 5.技术瓶颈 总结 ...
- 计算机图形学 学习笔记（五）：多边形裁剪（Suther land-Hodgeman），文字裁剪
接上文 计算机图形学 学习笔记(四):直线裁剪算法:Cohen-Suther land,中点分割法,Liang-Barsky 光栅图形学算法 3.4 多边形裁剪 之前上一篇文章中,我们介绍了直线段的裁 ...
- 计算机组成原理学习笔记（上）
计算机系统概论 计算机发展历程 原始计算工具 中国人的智慧之光 机械式计算机 西方人的智慧 机电式计算机 电子计算机 1,最古老的计算工具:算筹 2,冈特计算尺 3,达芬奇机械式计算机 4,1642年 ...
- Python学习笔记五：控制语句
Python学习笔记五:控制语句 Pycharm 开发环境的下载安装配置_项目管理 控制语句 Pycharm 开发环境的使用 Pycharm 下载和安装 激活和选择不同UI 风格 创建项目和初始化配置 ...
- 专升本 计算机 公共课学习笔记(持续更新中...)
计算机公共课学习笔记 第一章 计算机基础知识(30分) 1.计算机概述 计算机(Computer)的起源与发展 计算机(Computer)也称"电脑",是一种具有计算功能.记忆功能 ...
- 计算机图形学 学习笔记（七）：二维图形变换：平移，比例，旋转，坐标变换等
接上文 计算机图形学 学习笔记(六):消隐算法:Z-buffer,区间扫描线,Warnock,光栅图形学小结 在图形学中,有两大基本工具:向量分析,图形变换.本文将重点讲解向量和二维图形的变换. 5. ...
- 计算机图形学 学习笔记（八）：三维图形变换：三维几何变换，投影变换（平行/ 透视 投影）
接上文 计算机图形学 学习笔记(七):二维图形变换:平移,比例,旋转,坐标变换等 通过三维图形变换,可由简单图形得到复杂图形,三维图形变化则分为三维几何变换和投影变换. 6.1 三维图形几何变换 三维 ...
- 计算机组成原理学习笔记第1章 1.3——实验一 计算机性能测试
计算机组成原理学习笔记第1章 1.3--实验一 计算机性能测试 本篇笔记整理:Code_流苏(CSDN) 目录 计算机组成原理学习笔记第1章 1.3--实验一 计算机性能测试 0️⃣思维导图(自制) ...
- python函数是一段具有特定功能的语句组_Python学习笔记(五)函数和代码复用
本文将为您描述Python学习笔记(五)函数和代码复用,具体完成步骤: 函数能提高应用的模块性,和代码的重复利用率.在很多高级语言中,都可以使用函数实现多种功能.在之前的学习中,相信你已经知道Pyth ...
最新文章
- 从Date类型转为中文字符串
- 怎么装python的keras库_matlab调用keras深度学习模型（环境搭建）
- IOS网络篇1之截取本地URL请求(NSURLProtocol)
- MySQL—事务并发问题
- 服务器运行jar包日志怎么清理,docker 启动jar包，并将日志文件进行挂载
- 软件工程（可行性研究讲解）
- 新华社专题报道｜陕建集团：打造「建筑行业」数字化转型标杆
- spring session+redis配置
- 博客积分为0，这是又出错了？
- Nerwo(原npss)邀请链接
- 即时游戏中用户信息融合的研究
- 3559A对接IMX577 4lane 12M
- 如何配置企业微信开发者
- java使用pdfbox拆分PDF文件
- 操作系统--内存管理超详细整理！
- python import文件后 core dumped_python numpy包调用core dumped、Linux VDSO机制
- 【Python魔术方法】py复习
- ProxmoxVE6.2 Bond配置
- 计算机管理员工作目标任务书,毕业论文任务书中主要任务及目标怎么写
- 2021-10-27 基于电影数据库的简单查询（数据库第二次实验）