高级 CPU 设计

虞嘉乐21 计算机 4 班

提示

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最初的提速方式

随着时代的发展，人类对计算机速度的要求越来越高，这个时候我们就需要给 CPU 提提速。

在早期，人们并没有如今这么好用的提速方法，他们选择减少晶体管的切换时间(晶体管组成了逻辑门、ALU 以及前几章提到的其他组件)。

当然，绝大多数的情况下，越新的东西越好，让 CPU 提速的方法也是一样的。如今使用的新技术，不仅能让简单的指令更快速的执行，也能让它进行更复杂的计算。

如何高效的实施指令

如果我们用自己搭建的那个 CPU 来算一道 16/4，会占用大量的时钟周期，十分的低效。因为我们搭建的 CPU 并没有除法相关的指令，它计算 16/4，会用 16 一直减 4，直至 0 或负数。所以现代 CPU 直接在硬件上设计了除法，可以直接给 ALU 除法指令。

再比如，现代的 CPU 会有专门的电路来处理图形操作、解码压缩视频、加密文档等等，如果这些也用标准操作来实现，那会用非常多的时钟周期。

（小科普：某些 CPU 有 MMX、3DNOW、SSE，它们有额外的电路能够做更加复杂的操作，用于游戏和加密等场景）

随着指令的不断增加，人们也越来越习惯了这些方便的指令，这也让 CPU 中的指令越来越多。从最初的 46 条到如今的上千条指令，CPU 也越来越复杂，越来越厉害了。

为何要快速的把数据传递给 CPU

就像你再怎么能吃，一张嘴的容量也限制了每次吃下的量。RAM 就是这张嘴，它是 CPU 之外的独立组件 (当然，你的嘴是你身上的) ，这也就意味着数据要通过一根线互相传递。这根线叫总线，它可能只有几厘米长，而且电信号传输速度接近光速，但是 CPU 每秒可以处理上亿条指令，而 RAM 要需要时间找地址、取数据、配置、输出数据，这就导致了 CPU 必须等待 RAM 处理完后将数据输出，而这可能会是多个时钟周期的时间。

如何将数据快速传到 CPU

只要多存点数据在自己这里，不就比之前快了吗 —— 缓存

解决这种延迟的方法之一是给 CPU 加点 RAM——叫"缓存"。

因为 CPU 里空间不大，所以缓存一般只有 KB 或者 MB，而 RAM 都是 GB 起步。自此，CPU 从 RAM 拿数据时,RAN 可以不用只传一个，可以传一批了，虽然花的时间久了点，但数据可以存在缓存。

因为数据是一个接着一个处理的，这就导致数据存在缓存里十分好用，不用再去 RAM 里拿数据。打个比方，就好像是两个人进行大胃王比赛，有缓存的就像有人直接拿一大堆的菜依次的摆在你的桌前，吃完直接换下一道菜，不用让服务员去拿，而没有缓存的需要在吃完后等待服务员拿出下一道菜。

说完了处理方式，那就得提一嘴这种方式的速度。因为缓存里 CPU 很近，所以只要用一个时钟周期 CPU 就可以拿到数据，咱们的孤寡老 CPU 终于不用空等。

(小贴士：如果想要的数据已经在缓存里了，那么这部分的数据叫"缓存命中"，不在就叫"缓存未命中")

脏位

缓存除了可以让数据更快的被 CPU 使用外，还可以当一个临时空间。举个栗子，就像你设定了今年想要达成的目标并写在了记事本上。

与之前的相同，数据不是直接存在 RAM 中，而是在缓存里，这样不仅存起来快，而且改起来也快(就好像你改了又改的择偶标准 —— 从找个漂亮贤惠的老婆，到是个女的都行，再到是个人就行（欸嘿）)

由于缓存和 RAM 内的数据不一样了，这种不一致必须记录下来，之后需要同步，因此缓存内的每块空间都有一个特殊标记，那就是这一段的绝对主角 —— 脏位。一般来讲，计算机同步数据是在 CPU 内缓存的数据满了，而 CPU 有需要空间来储存，这个时候就需要清理缓存内的空间了。在清理缓存的时候，会先检查脏位，如果是"脏"的，那会在加载新数据之前把数据写回 RAM。

左右互博之术 —— 指令流水线

第 7 章中讲到，CPU 按"取址 —— 解码 —— 执行"的顺序处理，这种设计使 CPU 需要三个时钟周期才能执行一条指令，但是每一个步骤都是用到 CPU 不同的位置，那我们不选择让 CPU 学学"左右互搏之术"呢？

在 CPU 执行指令时，同时开始解码下一条指令，并且取下下条指令的地址，这样的流水线，可以每个时钟周期执行一个指令，这样，效率就是之前的三倍啦！

问题之一：指令之间的依赖关系

什么指令之间的依赖性呢？举个栗子，你正在执行的指令会改变你正在读取的那个指令的数据。

所以，流水线处理器必须先弄清楚指令之间的依赖性，必要时停止流水线，以防出现问题。而高端的 CPU 会动态的排序有依赖关系的指令，最小化的停止时间，这叫"乱序执行"。这种电路非常复杂，但它实在是太高效了，几乎所有现代处理器都有流水线。

问题之二：条件跳转

跳转类型的指令会改变程序的执行流，低级的流水线处理器，看到 jump 指令会停一会等待条件值定下，但这会造成一定的延迟。

而高端的流水线处理器就不一样了，它们会猜，对了就直接使用，错了就当场清空，这种方法叫"分支预测"。当让，不必因为"猜"这个字而感到不信任，因为高端的流水线处理器的成功率超过了 90%，除非你是那种喝凉水都能塞牙的倒霉孩子，不然几乎不会出问题。

超标量处理器

它的存在会让流水线彻底进入 007 的时代，它不会给流水线的任意一个工作区域一点休息的时间，这使流水线的工作效率大大提升，一个时钟周期可以完成多个指令了。

三个臭皮匠，抵个诸葛亮 —— 多核处理器

多核处理器，意思是一个 CPU 芯片里，有多个独立处理单元，像多个独立 CPU，但可以共享一些资源，合作运算。

中国的超级计算机 —— 神威·太湖之光

如果多核处理器无法满足的时候，就可以加几个 CPU。而为了满足一些怪物级的运算，就需要超级计算机，它们需要更多的 CPU。神威·太湖之光就是一台这样的超级计算机，它有 40960 个 CPU，每个 CPU 高达 256 个核心，每秒可以进行 9.3 亿亿次浮点数运算，是当之无愧的怪物级的超级计算机，在世界超级计算机排行榜上也有其大名。

接下来

下一章，我们会讲到编程。