【計算機原理】CPU部分.md
本文由CPU阿甘改編而得，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。
最大的優點在於速度快，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主要做了什麽事情。
啟動
當計算機上電了以後，CPU就先會執行內存最頂端的指令，現是一條跳轉指令
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。自檢完成以後，會產生中斷，BIOS會告訴CPU是多少號中斷。
中斷了以後，CPU怎麽知道去哪裏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麽臃腫，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，類似於響應代碼的房間號。
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後，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，切換到另一個進程裏面，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後，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，然後發出各種控制命令。
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下一條指令去那裏執行。
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。
那麽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。那麽我們完全可以把內存中的部分代碼提前加載到Cache裏面。
既然Cache的主要作用是CPU與內存的緩沖層，那麽Cache的速度應該接近於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。
也就是說不管是什麽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屬於後起之秀，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於微處理器太過復雜，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體系架構裏面常用的技術
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。
那麽當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。那麽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後一步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。這樣就實現了並行處理。
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