内容来源：计算机科学

指令和程序

指令：指示计算机要做什么的代码，多条指令共同组成程序。

计算机指令长度

由于早期计算机每个字只有8位，指令只占4位，意味着只能有16个指令，这远远不够。

现代计算机有两种方式解决指令不够用的问题：

最直接的是用更多位来表示指令，如32位或64位。

采用“可变指令长度”，令不同的指令的长度不同，尽量节约位数。

该情况下，部分指令后面需要跟数据，如JUMP，称为立即值。

高级CPU设计

 现代处理器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，如果使用标准操作来实现需要很多个时钟周期。即便如此，现如今的CPU一秒最少也有上亿次的指令，超高的时钟速度带来一个问题，如何快速地传递数据给CPU，也就是RAM出现了瓶颈。

总线：

RAM是CPU独立之外的组件，所以数据的传递需要通过数据线来实现，我们称之为总线。RAM传输数据需要经过很多到程序，取地址，取数据，配置.....一条普通的指令就需要很多个时钟周期，这会造成CPU空等，就像一台高效的蒸汽机却没有煤能烧。

解决方法：

1.给CPU加一点RAM——“缓存”

如果没有缓存，也就是RAM只能一个一个的传输数据给CPU，而有了缓存之后RAM可以成批成批的给CPU传输数据。  缓存也可以临时空间，存一些中间值，适合长或者复杂的运算。

CPU将计算好的数据返回到缓存中，而不是直接存到RAM中，这同样会加快运行速度，但出现了一个问题：缓存和RAM不一致，这种不一致必须记录下来之后要同步。因此缓存里的每块空间都有一个特殊标记，叫做“脏位”（dirty bit）。

同步一般发生在当缓存满了而CPU又要缓存的时候，在清理缓存之前，会先检查“脏位”，如果是“脏”的就会在加载新缓存前将数据写回RAM中。

2.“指令流水线”

也就是并行处理，CPU的每一部分并不冲突，可同时进行所有部分。之前可能三个时钟周期完成一个指令，现在可以一个周期完成一个指令。

同样也一定存在一定的问题，如数据的“依赖性”，方法是动态排序有依赖关系的指令。又如“问题跳转”（JUMP），会改变指令的顺序，方法是“推测执行”（分支预测），现代CPU预测准确率超过90%。

3.运行多个指令流（超标量处理器）

刚刚说过的方法都是优化一个指令流的吞吐量，另一个方法是，同时运行多个指令流，一个时钟周期完成多个指令（通过使用多核处理器）

多核处理器的意思就是一个CPU芯片里有多个独立的处理单元，他们可以合作运算，共用缓存。当有更高需求时会使用多个CPU