OS - 计算机组成原理及CPU主频揭秘

左手的ㄟ右手 2022-10-29 12:21 230阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  生猛干货
 *  大纲视图
 *   *  计算机的基本组成
     *  计算机的指令和计算
 *  计算机性能指标
 *  计算机的计时单位 ：CPU时钟
 *  小结
 *  搞定计算机基础内功

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# 生猛干货 #

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# 大纲视图 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

我们把整个计算机组成原理的知识点拆分成了四大部分，分别是**计算机的基本组成、计算机的指令和计算、处理器设计，以及存储器和I/O设备**。

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## 计算机的基本组成 ##

**运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备**这五大基本组件 . 除此之外，我们还需要了解计算机的两个核心指标：**性能和功耗** 。

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## 计算机的指令和计算 ##

一条条指令执行的控制过程，就是由计算机五大组件之一的 **控制器**来控制的。

实现这些运算功能的ALU（Arithmetic LogicUnit/ALU），也就是算术逻辑单元，其实就是计算机五大组件之一的**运算器**

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# 计算机性能指标 #

计算机的性能，类比我们自己搬东西 ，有两个指标可以衡量

*  **响应时间（Response time）或叫执行时间（Execution time）**： 可以理解为让计算机“跑得更快” 。 我们执行一个程序， 花的时间越少，自然性能就越好

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*  **吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth）**：可以理解为让计算机“搬得更多”

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和搬东西来做对比，如果我们的响应时间短，跑得快，我们可以来回多跑几趟多搬几趟。所以说，缩短程序的响应时间，一般来说都会提升吞吐率。

除了缩短响应时间， 还可以多找几个人一起来搬，这就类似服务器都是8核、16核的。人多力量大，同时处理数据，在单位时间内就可以处理更多数据，吞吐率自然也就上去了。

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# 计算机的计时单位 ：CPU时钟 #

时间是一个很自然的用来衡量性能的指标，但是用时间来衡量时，有两个问题

*  **时 间 不 “ 准 ”**

随便写的一个程序，来统计程序运行的时间，每一次统计结果不会完全一样。有可能这一次花了45ms，下一次变成了53ms。

为什么会不准呢？首先，我们统计时间是程序运行结束的时间减去程序开始运行的时间。这个时间也叫Wall Clock Time或者Elapsed Time，就是在运行程序期间，挂在墙上的钟走掉的时间。

但是，计算机可能同时运行着好多个程序，CPU实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里面，很可能CPU切换去运行别的程序了。而且，有些程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和硬盘把数据读出来，给到内存和CPU。

所以说， **要 想 准 确 统 计 某 个 程 序 运 行 时 间 ， 进 而 去较 两 个 程 序 的 实 际 性 能 ， 我 们 得 把 这 些 时 间 给 刨 除**

Linux下有一个叫time的命令，可以帮我们统计出来，同样的Wall Clock Time下，程序实际在CPU上到底花了多少时间

$ time seq 1000000 | wc -l
    1000000
    real 0m0.101s
    user 0m0.031s
    sys 0m0.016s

real time，也就是我们说的Wall Clock Time，也就是运行程序整个过程中流逝掉的时间
     user time，也就是CPU在运行你的程序，在用户态运行指令的时间
     sys time，是CPU在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间。

**程序实际花费的CPU执行时间（CPU Time），就是user time加上sys time**

实际上程序用了0.101s，但是CPU time只有0.031+0.016 = 0.047s。运行程序的时间里，只有不到一半是实际花在这个程序上的

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*  **即使我们已经拿到了CPU时间，我们也不一定可以直接“比较”出两个程序的性能差异**

即使在同一台计算机上，CPU可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些。除了CPU之外，时间这个性能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响。

那如何量化呢？

程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数×时钟周期时间

时钟周期时间是什么？

> Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里的2.8GHz就是电脑的主频（Frequency/Clock Rate）。这个2.8GHz，可以先粗浅地认为，CPU在1秒时间内，可以执行的简单指令的数量是2.8G条。

> 更准确一点描述，这个2.8GHz就代表，我们CPU的一个“钟表”能够识别出来的最小的时间间隔。就像我们挂在墙上的挂钟，都是“滴答滴答”一秒一秒地走，所以通过墙上的挂钟能够识别出来的最小时间单位就是秒。

> 在CPU内部，和我们平时戴的电子石英表类似，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。我们把晶振当成CPU内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间。

> 在这个2.8GHz的CPU上，这个时钟周期时间，就是1/2.8G。CPU，是按照这个“时钟”提示的时间来进行自己的操作。主频越高，意味着这个表走得越快，CPU也就“被逼”着走得越快。

在回到上面程序CPU执行时间的公式

程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数×时钟周期时间

最简单的提升性能方案，自然缩短时钟周期时间，也就是提升主频。换句话说，就是换一块好一点的CPU。

这个是硬件的，控制不了， 那我们看另一个因子——CPU时钟周期数上。如果能够减少程序需要的CPU时钟周期数量，一样能够提升程序性能。

对于CPU时钟周期数，可以再做一个分解，把它变成“**指令数× 每 条 指 令 的 平 均 时 钟 周 期 数（Cycles PerInstruction，简称CPI）**”。

不同的指令需要的Cycles是不同的，加法和乘法都对应着一条CPU指令，但是乘法需要的Cycles就比加法要多，自然也就慢。

在这样拆分了之后，程序的CPU执行时间就可以变成这样三个部分的乘积。

程序的CPU执行时间=指令数×CPI×Clock Cycle Time

因此，如果想要解决性能问题，其实就是要优化这三者。

1.  时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。
2.  每条指令的平均时钟周期数CPI，就是一条指令到底需要多少CPU Cycle。 现代的CPU通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的CPU Cycle尽可能地少。因此，对于CPI的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
3.  指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。

类比一下 ，把自己想象成一个CPU，坐在那里写程序。

计算机主频就好像是打字速度，打字越快，你自然可以多写一点程序。

CPI相当于你在写程序的时候，熟悉各种快捷键，越是打同样的内容，需要敲击键盘的次数就越少。

指令数相当于你的程序设计得够合理，同样的程序要写的代码行数就少。

如果三者皆能实现，自然可以很快地写出一个优秀的程序，“性能”从外面来看就是好的。

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# 小结 #

“响应时间”这个性能指标主要体现在 提升计算机主频，优化CPU设计使得在单个时钟周期内能够执行更多指令，以及通过编译器来减少需要的指令数。

![在这里插入图片描述][20210214134339730.gif_pic_center]

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# 搞定计算机基础内功 #

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