1 知识加油站

1.1 cpu 指令的执行过程

• 取指：cpu 获取 程序计数器 中存放的指令地址。读取内存中此地址对应指令并存入指令寄存器
• 译码：指令译码器，解析指令
• 运行：算数逻辑单元计算
• 回写：将执行结果写入对应位置

2. cpu中的技术与进化

• 最先的cpu运行时只能顺序执行指令。意思是只有一条指令从取指到回写执行完毕才可以执行下一条指令。可以明显看到cpu在“摸鱼”，整个指令周期内只有一条指令被执行。弊端在于资源浪费，指令周期内有三个步骤处于等待空闲状态；
• 然后cpu为了应对这种情况做了这样一个事来提高cpu利用率：指令流水线系统，也叫作指令预处理。顾名思义就是提前处理下一条指令，这样每个部件都可以同时并发运行，如下图：
  
  • 假如顺序执行中每个步骤耗时 1ns，那么处理100条指令需要多久？4 * 4 = 16 ns
  • 假如在流水线中每个步骤耗时 1ns，那么处理4条指令需要多久？4 + （3 * 1）=7 ns
  • 假如在流水线拆分更细，4个步骤变为8个步骤，每个步骤耗时 0.5ns，那么处理4条指令需要多久？4 + （3 * 0.5）= 5.5 ns
  • 所以是不是意味着将流水线拆分的足够细足够多，那么就会运行的足够快呢？但实际上当拆分的足够多时反而会降低运行速度，猜猜为什么？
  • 流水线拆分越深越细，需要的电路越多，同时流水线中数据传递也需要耗时，而且还会带来功耗的增加。综合这些问题反而会导致性能的下降。所以流水线的深度级数只能找一个相对的平衡点
• 使用流水线技术后，实际上并不能完全按照预期运行，因为如果同时有多个流水线模块访问内存时只能阻塞等待「结构冒险：硬件的资源竞争」；而且当一些指令依赖其他指令的结果时，也只能停下来等待「数据冒险：指令依赖其他指令的结果」；更要命的是，遇到分支的情况时并不能预测到下个分支运行哪个指令「控制冒险：流水线无法预知处于分支节点的下一条指令」。这些问题被总结为流水线中的冒险问题
• 再cpu与工艺制程的发展，运行速度也是越来越快，内存读写跟不上了。但是发现当使用某个数据时，大概率上会访问连续的空间（见下方cpp-demo）。所以cpu又搞了一块高速缓冲区「缓存」，这样就使得每条指令和数据都要从内存读取一次，变为读取一块内存数据，在需要读内存时先访问缓存，如果缓存有就直接读缓存，减少内存的访问次数。

for(int index = 0; index < 100; index++)  
	result += data[index];

• 缓存技术又发展为指令缓存与数据缓存，一级缓存发展到二级三级缓存

• 同时在多核技术的发展下，出现多核数据不一致的问题。举例来说就是当两核同时执行i++时，本应该得到3，但是由于都从内存读到了i=1，导致两个核都计算完成并回写内存后，最终写入的是2。所以定义了一个叫原子操作的东西，表示这是不可分割的动作，谁要执行原子操作，就在总线上加LOCK#，虽然锁总线可以规避访问冲突，但是锁总线很影响其他的核心来操作内存。

• 有很多时候数据不都从内存读取，而是从缓存直接拿，因此仍然存在多核缓存数据不一致的问题。所以cpu核心之间牵入一条专线片内总线，还制定了一套规则缓存一致性协议MESI，用来同步缓存数据，具体在此不展开叙述。有了这项技术，再执行原子操作时，再也不需要锁总线了。

• 乱序执行

• 动态预测

• 并行计算

• 超线程技术

文章持续完善中