CPU 是如何执行程序的？

图灵机

图灵机=存储器+执行器
执行器包含临时存储器即寄存器，控制单元解释并执行指令，算术运算单元

冯诺依曼模型：计算机基本结构

程序员眼中的内存：大数组，以字节为单位

CPU：32/64位宽，含寄存器（多种类别）、控制单元、逻辑运算单元

一次操纵小于32位数的时候，性能与64位CPU差别不大；但二者的寻址空间差异则比较大

总线：通信线路，分为地址/数据/控制总线。

一条总线用高低电平表示01，想要一次获得64位地址则需要64条地址总线，这表示了线路位宽，CPU位宽最好大于线路位宽

输入输出设备会使用控制总线和CPU交互

程序执行过程

程序执行过程：根据pc通过地址总线向内存请求数据，通过数据总线接收数据，存到指令寄存器，pc自增字长；解释指令，存储类指令交给cu，算术类交给alu执行。这一个周期被称为CPU的指令执行周期

a = 1 + 2执行过程：编译程序为机器指令后执行机器指令；加载1到寄存器，加载2到寄存器，两个寄存器相加结果放到寄存器，存储结果到内存。这里的寄存器和地址由编译器指定，cpu是无情的执行机器

指令

指令：不同种类的CPU能识别不同的指令，特定CPU指令的集合被称为指令集

以MIPS指令为例，它有R（register)、I（immediate）、J（jump)三种指令：

现代CPU采用流水线技术加快指令执行，即：取指令、解析指令、执行指令、存储数据，这是一个四级流水线。这一个完整的周期被称为指令周期

• 取指令、解析、无条件跳转指由控制器进行
• 其他操作由ALU进行

从功能的角度分，指令可以分为：数据传输、运算、跳转、信号、闲置五种类型

性能衡量

• CPU 的硬件参数都会有 GHz 这个参数，代表每秒产生的脉冲信号次数，即时钟频率；每一次脉冲信号高低电平的转换代表新周期的开始，称为时钟周期。
• CPU在一个时钟周期内可以进行一些基本的操作
• 一条指令可能需要若干个时钟周期才能完成

时钟频率越高，时钟周期就越短，基本操作的执行速度也就越快。

对于程序的执行时间，我们用这个公式来衡量：时钟周期数 * 时钟周期时间，它可以进一步细化为：指令数 * 平均指令周期数 CPI * 时钟周期时间

优化程序的执行速度可以从这三个方面下手：

• 超频可以降低时钟周期时间，提高速度
• 现代CPU采用流水线技术，让一条指令需要的 CPU 时钟周期数尽可能的少
• 指令数主要依靠编译器优化

存储器层次结构

存储器分为易失性存储器和非易失性存储器，区别在于断电后数据是否会丢失

• 易失：寄存器、CPU三级缓存、内存
• 非易失：固态/机械硬盘 SSD/HDD、（非易失内存）

速度直观比较：

实际：

寄存器

• 32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节； 64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节。
• 延迟通常为半个时钟周期，一般不到1ns。2 GHz 主频的CPU，时钟周期为0.5ns，寄存器访问时间为0.25ns

CPU三级缓存：SRAM

• 使用芯片SRAM：Static Random-Access Memory，支持随机访问 & 有电才有数据，所以叫静态随机存储器
• 1 bit 数据一般需要 6 个晶体管，存储密度不高、电路简单，所以访问速度飞快
• 每个CPU有自己配套的L1、L2缓存，L1缓存又分为指令缓存和数据缓存；所有CPU共享一个L3缓存

L1 缓存

• 访问时间约为 2~4 个时钟周期，大小在 几十到几百KB

可以通过以下命令查看 linux 数据和指令缓存的大小：

L2

• 速度在 10~20 个时钟周期，通常大小在几百 KB 到几 MB

L3

• 20~60个时钟周期，通常大小在几 MB 到几十 MB 不等

内存：DRAM

• DRAM （Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）
• 密度高功耗低容量大造价便宜，1bit数据用一个晶体管+一个电容存储，电容漏电所以需要定时刷新
• DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂，所以访问的速度会更慢，约在 200~300 个时钟周期

SSD/HDD

• Solid-state disk：结构和内存类似，但持久，比内存慢 10~1000 倍。
• Hard Disk Drive：物理读写方式访问，比内存慢 10W 倍左右

由于 SSD 的价格快接近机械硬盘了，因此机械硬盘已经逐渐被 SSD 替代了。

存储器层次体系

• 存储空间越大的存储器设备，其访问速度越慢，所需成本也相对越少。
  • 每 MB 大小的 L1 Cache 相比内存贵了 466 倍，相比机械硬盘那更是贵了 175000 倍。
• CPU 只直接和寄存器交互，每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。
• 每一级存储设备都充当下一级存储设备的缓存，充分利用了局部性
• CPU需要数据时，优先从缓存中找，没有再从下一级存储设备中找
  • 寄存器–L123–内存–硬盘

CPU 线程选择

调度类与调度策略

linux 中的进程和线程都用 struct task 表示，区别在于线程共享了进程已创建的资源，使用的资源更少，所以也叫 轻量级进程。task 是调度的单位

任务有三种调度类，每个调度类型都有自己的任务队列：

ddl和realtime组合起来有三种策略：

fair 类任务分为普通任务和后台任务两种调度策略：

CFS 完全公平调度

CFS 即 Completely Fair Scheduling，在一段时间内，所有的任务运行时间一样。但会优先调度优先级高的任务，相应的，优先级高的任务每次运行的时间 vruntime 较少

我们根据 权重值 计算 vruntime：

权重值不等于优先级，内核中有一个 nice 值和权重值的转换表，nice 越低的权重越大，优先级越高，vruntime 越少，越先调度

CPU 运行队列

每个CPU有自己的运行队列，根据调度类的不同分为三个运行队列，其中CFS调度队列用红黑树表示，其他两个都是普通的队列。

这几个调度类也分优先级：Deadline > Realtime > Fair，优先执行实时任务

调整优先级

可以通过调整nice值的方式实现，毕竟nice越少，vruntime越少，优先级越高

普通任务优先级可以调整的范围为：-20～19，其中0为默认优先级。优先级会被映射到99139，这是普通任务的优先级范围，实时任务的优先级实际在098：

若想获得更高的优先级则需要更改调度策略：