前言

CPU的英文全稱是(Central Processing Unit)，中文意思翻譯中央處理器，是計算機的主要設備之一，功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。計算機的可編程性主要是指對中央處理器的編程。

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關于馮·諾依曼結構

馮·諾依曼結構(Von Neumann architecture)是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的計算機設計概念結構。馮·諾依曼結構隱約指導了將存儲設備與中央處理器分開ß的概念，因此依本結構設計出的計算機又稱存儲程序計算機，這也是目前大多數(shù)計算機設計的主要參考原則。

最早的計算機器僅內含固定用途的程序。現(xiàn)代的某些計算機依然維持這樣的設計方式，通常是為了簡化或教育目的。例如一個計算器僅有固定的數(shù)學計算程序，它不能拿來當作文字處理軟件，更不能拿來玩游戲。若想要改變此機器的程序，你必須更改線路、更改結構甚至重新設計此機器。當然最早的計算機并沒有設計的那么可編程。當時所謂的“重寫程序”很可能指的是紙筆設計程序步驟，接著制訂工程細節(jié)，再施工將機器的電路配線或結構改變。

而存儲程序型計算機的概念改變了這一切。借由創(chuàng)造一組指令集結構，并將所謂的運算轉化成一串程序指令的運行細節(jié)，可讓程序運行時自我修改程序的運算內容，讓此機器更有彈性。借著將指令當成一種特別類型的靜態(tài)數(shù)據(jù)，一臺存儲程序型計算機可輕易改變其程序，并在程控下改變其運算內容。 馮·諾伊曼結構與存儲程序型計算機是互相通用的名詞。而哈佛結構則是一種將程序數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)分開存儲的設計概念，但是它并未完全突破馮.諾伊曼架構。

CPU執(zhí)行原理

CPU的主要運作原理，不論其外觀，都是執(zhí)行儲存于被稱為程序里的一系列指令。在此討論的是遵循普遍的馮·諾伊曼結構(von Neumann architecture)設計的裝置。程序以一系列數(shù)字儲存在計算機存儲器中。差不多所有的馮·諾伊曼CPU的運作原理可分為四個階段：提取、解碼、執(zhí)行和寫回。

(1)提取

從程序內存中檢索指令(為數(shù)值或一系列數(shù)值)。由程序計數(shù)器指定程序存儲器的位置，程序計數(shù)器保存供識別目前程序位置的數(shù)值。換言之，程序計數(shù)器記錄了CPU在目前程序里的蹤跡。提取指令之后，PC根據(jù)指令式長度增加存儲器單元[iwordlength]。指令的提取常常必須從相對較慢的存儲器查找，導致CPU等候指令的送入。這個問題主要被論及在現(xiàn)代處理器的緩存和管線化架構。

(2)解碼

CPU根據(jù)從存儲器提取到的指令來決定其執(zhí)行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片斷。根據(jù)CPU的指令集架構(ISA)定義將數(shù)值解譯為指令[isa]。一部分的指令數(shù)值為運算碼，其指示要進行哪些運算。其它的數(shù)值通常供給指令必要的信息

(3)執(zhí)行

在提取和解碼階段之后，接著進入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。例如，要求一個加法運算，算術邏輯單元將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而且在輸出將含有總和結果。ALU內含電路系統(tǒng)，以于輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算(比如加法和比特運算)。如果加法運算產(chǎn)生一個對該CPU處理而言過大的結果，在標志寄存器里，溢出標志可能會被設置

(4)寫回

最終階段，寫回，以一定格式將執(zhí)行階段的結果簡單的寫回。運算結果經(jīng)常被寫進CPU內部的寄存器，以供隨后指令快速訪問。在其它案例中，運算結果可能寫進速度較慢，如容量較大且較便宜的主存

注意，這上面的4個階段與我們編寫程序是非常相關的，但編程語言里面可能會簡化，并把2和3階段合并，分為：加載，處理，寫回。在多線程編程里面，了解這幾個概念至關重要，由此可以延伸，數(shù)據(jù)從哪里加載，在哪里執(zhí)行，***結果又寫回了哪里。指令數(shù)據(jù)一般從內存里面加載，但是內存的訪問時間，相比cpu慢了n多倍，所以為了加速處理，cpu一般把指令給加載到離cpu更近的寄存器里面，或者是L1,L2,L3的cache來提速，最終計算出來的結果，還要寫回內存。正是因為cpu執(zhí)行指令復雜，所以這里面其實牽扯到很多問題，比如多個線程如何協(xié)作處理任務，以及如何保證程序數(shù)據(jù)的原子性，有序性，可見性。而這正是Java的內存模型出現(xiàn)的意義。在其他不同的編程語言里面其實都有在操作系統(tǒng)之上抽象的內存模型來應對不同的cpu架構的的差異，這一點需要注意。

多個單核CPU vs 單個多核CPU

多個單核CPU：

成本更高，因為每個CPU都需要一定的線路電路支持，這樣對主板上布局布線極為不便。并且當運行多線程任務時，多線程間通信協(xié)同合作也是一個問題。依賴總線的傳輸，速度較慢，且每一個線程因為運行在不同的CPU上。導致不同線程間各開一個Cache，會造成資源的浪費，同時如果線程間協(xié)作就會有冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，更加大了內存的開銷。

單個多核CPU：

可以很好地規(guī)避基本上多個單核CPU提到的所有缺點。他不需要考慮硬件上的開銷以及復雜性問題，同時也可以很好地解決多線程間協(xié)同工作的問題，減少內存的開銷，因為多線程程序在多核CPU中運行是共用一塊內存區(qū)的，數(shù)據(jù)的傳輸速度比總線來的要快同時不會有冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。單個多核CPU的問題也是顯而易見的，假設倆大程序，每一個程序都好多線程還幾乎用滿cache，它們分時使用CPU，那在程序間切換的時候，光指令和數(shù)據(jù)的替換就是個問題。

單個多核cpu已經(jīng)成為個人計算機的主流配置，多個多核的cpu在一些大型的服務器里面也很常見。

超線程

“超線程”(Hyperthreading Technology)技術就是通過采用特殊的硬件指令，可以把兩個邏輯內核模擬成兩個物理超線程芯片，在單處理器中實現(xiàn)線程級的并行計算，同時在相應的軟硬 件的支持下大幅度的提高運行效能，從而使單處理器上模擬雙處理器的效能。其實，從實質上說，超線程是一種可以將CPU內部暫時閑置處理資源充分“調動”起來的技術。

每個單位時間內，CPU只能處理一個線程，以這樣的單位進行，如果想要在單位時間內處理超過一個的線程，是不可能的，除非是有兩個核心處理單元，英特爾的HT技術便是以單個核心處理單元，去整合兩個邏輯處理單元，也就是一個實體核心，兩個邏輯核心，在單位時間內處理兩個線程，模擬雙核心運作。

簡單的說，超線程就是在單個core中，模擬出兩個邏輯處理單元，以此能夠提高程序執(zhí)行的并發(fā)能力，提高系統(tǒng)cpu資源的利用率。

至此，關于CPU的個數(shù)，核數(shù)，邏輯CPU的個數(shù)計算關系如下：

(1)總核數(shù) = 物理CPU個數(shù) X 每顆物理CPU的核數(shù)

(2)總邏輯CPU數(shù) = 物理CPU個數(shù) X 每顆物理CPU的核數(shù) X 超線程數(shù)

一些概念解釋如下：

① 物理CPU 
 實際Server中插槽上的CPU個數(shù) 
物理cpu數(shù)量，可以數(shù)不重復的 physical id 有幾個 
② 邏輯CPU 
 Linux用戶對 /proc/cpuinfo 這個文件肯定不陌生. 它是用來存儲cpu硬件信息的 
信息內容分別列出了processor 0 – n 的規(guī)格。這里需要注意，如果你認為n就是真實的cpu數(shù)的話, 就大錯特錯了 
一般情況，我們認為一顆cpu可以有多核，加上intel的超線程技術(HT), 可以在邏輯上再分一倍數(shù)量的cpu core出來 
邏輯CPU數(shù)量=物理cpu數(shù)量 x cpu cores 這個規(guī)格值 x 2(如果支持并開啟ht) 
備注一下：Linux下top查看的CPU也是邏輯CPU個數(shù) 
③ CPU核數(shù) 
一塊CPU上面能處理數(shù)據(jù)的芯片組的數(shù)量、比如現(xiàn)在的i5 760,是雙核心四線程的CPU、而 i5 2250 是四核心四線程的CPU 
一般來說，物理CPU個數(shù)×每顆核數(shù)就應該等于邏輯CPU的個數(shù)，如果不相等的話，則表示服務器的CPU支持超線程技術    

(描述信息可滑動)

在linux上查看這些信息命令如下：

# 查看物理CPU個數(shù) 
cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l 
# 查看每個物理CPU中core的個數(shù)(即核數(shù)) 
cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq 
# 查看邏輯CPU的個數(shù) 
cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l 

舉例，在一個Mac Pro的機器上，可以通過關于本機，系統(tǒng)報告選項中，看到當前系統(tǒng)的基本配置情況，如下：

型號名稱：MacBook Pro 
型號標識符：MacBookPro11,4 
處理器名稱：IntelCore i7 
處理器速度：2.2GHz 
處理器數(shù)目：1 
核總數(shù)：4 
  L2 緩存（每個核）：256KB 
  L3 緩存：6MB 
內存：16GB 
Boot ROM 版本：187.0.0.0.0 
SMC 版本（系統(tǒng)）：2.29f24 
序列號（系統(tǒng)）：C02SK27CG8WN 
硬件 UUID：652D3965-1BF1-5614-AA0D-63DC5B6DD347 

比如上面的信息中，顯示了當前的系統(tǒng)物理上只擁有一個cpu，但是這個cpu有4個核。然后，我們查詢其邏輯cpu的個數(shù)，會發(fā)現(xiàn)顯示是8個：(在Mac上打開活動監(jiān)視器，然后雙擊最下面的中間的cpu負載的地方，就可以看到)

這就是因為每個核又有2個超線程，所以8個邏輯cpu個數(shù)=1物理cpu個數(shù) * 4核 * 2個超線程，最終也就是說如果我要編寫一個多線程計算密集型的程序任務，起的線程數(shù)可以以邏輯cpu的個數(shù)作為參照。當然如果是io密集型的任務，可以開的更多一點。

CPU性能參數(shù)

計算機的性能在很大程度上由CPU的性能決定，而CPU的性能主要體現(xiàn)在其運行程序的速度上。影響運行速度的性能指標包括CPU的工作頻率、Cache容量、指令系統(tǒng)和邏輯結構等參數(shù)。

大多數(shù)情況下，我們主要關注的是CPU的主頻，也稱時鐘頻率，是指同步電路中時鐘的基礎頻率，它以“每秒時鐘周期”(clock cycles per second)來度量，單位是兆赫(MHz)或千兆赫(GHz)用來表示CPU的運算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。

在上面的mac的參數(shù)里面，我們能夠看到在Intel Core i7處理器下，主頻是2.2 GHz，當前主頻高的處理器也在4 GHz之內，其主要原因主要在于散熱，提高主頻超過一定范圍后熱密度急速提高，很不經(jīng)濟，也造成散熱困難。

總結

本文主要介紹了計算機操作系統(tǒng)中CPU有關的知識，計算機的核心就在于CPU，了解CPU相關的知識，可以讓我們更清楚我們的程序底層執(zhí)行的過程，從而寫出更健壯的代碼及調優(yōu)相關的程序。