【飞跃】从业余爱好者的角度，浅谈计算三大部件之CPU基础篇

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计算机的组成
在详细谈及CPU之前，必须先知道计算机是一个整体，各大部件密切联系不可分割。
50年代冯诺依曼提出了计算机的五大部件和存储程序概念。即计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输出设备和输入设备五大部件组成；指令和数据可以一起放在存储器，程序按顺序自动执行。这也就是所有现代电子计算机的范式。

其中控制器负责对程序规定的控制信息进行分析，控制并协调输入/输出操作或内存访问，运算器负责数据的算术运算和逻辑运算，由于两者在逻辑关系和电路结构上联系紧密，所以往往集成在同一芯片上，合称为中央处理器（CPU）。
存储器负责存放计算程序及参与运算的各种数据。内存、数据缓冲存储器等都属于这一类。
输入设备负责实现计算程序和原始数据的输入，输出设备负责实现计算结果输出，一般将两者合称为I/O设备。显示器、硬盘、LAN适配器、鼠标键盘和打印机等都属于此类，值得一说的是，虽然硬盘在计算机的运行机制中被划分为IO设备，但是从功能上，也可以将其视为内部存储器的扩展。

还有图形显示卡，虽然其GPU核心在结构上是控制器和运算器，但作用主要是在CPU和显示器之间负责图形处理，显示输出，所以显示卡也可以看成IO设备。更接近通用计算的是GPGPU，面对超大数据的复杂计算环境，并没有图形输出功能，如Nvidia Tesla计算卡。

处理器的指令执行流程
计算机由各种电子元器件组成的，其中尤为重要的元件是半导体，半导体可以通过它的开关状态来传递和处理信息，其中0对应断路，1代表通路。所有输入计算机的信息最终都要转化为二进制电脉冲信号。
几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，执行指令的工作流程都可以分为5个阶段：指令读取、指令译码、取出数据、执行指令、写回结果。
注：指令译码是将二进制的代码翻译为硬件的电路控制信号的过程，原因在于计算机指令虽然以二进制存储，但二进制的指令并非就是CPU能直接处理的指令，所以需要进行译码。

从上图的处理器的流水工作中可以看出，指令初始指令需要5个单位时间后才能得到结果，往后每一个指令只需要1个单位时间即可得到结果。
现代处理器一般会将IF，DE阶段拆分成3~5个步骤，EX阶段执行整数加减时只需1个步骤，而执行浮点运算等复杂运算需要4~8个步骤，所以现代处理器执行指令的步骤数量，即流水线级数一般会比较多。
流水线级数这个词，相信很多人应该看过，但不清楚具体意思，就是执行指令的步骤数量。
流水线级数越多，时钟周期就越短，所以时钟频率可以提升到更高，同时单位时间内能够处理的指令数增加，所以CPU吞吐量提升，但是将一条指令拆分成过多步骤处理，会导致单条指令执行效率大幅降低。

时钟周期和时钟频率
参考上图，CPU进行一次IF到WB的工作过程所需要的时间，称为时钟周期。而时钟周期的倒数，即一秒内进行的工作次数称为时钟频率。
公式为F =1 / T，其中F代表时钟频率，单位是Hz，T代表周期，单位是s。
举个栗子，CPU的时钟频率为4.0Ghz，说明每秒能进行四十亿次IF到WB的工作过程，每一次所花费的时间，即时钟周期为0.25ns。能够在高复杂度的大规模集成电路上能够实现这样的频率，其实是非常了不起的事情。
这是一些非常基础的概念，如果不能理解，那么后面的性能测量部分显然别想看懂了。

CPU的组成
我们在开头说到CPU的核心部件是控制器（BLU）和运算器（ALU），其中控制器负责指导运算器、存储器和IO设备按照程序的指令正确执行，运算器负责算术运算和逻辑运算。
随着技术的进步，微处理器厂商开始将更多的部件与控制器和运算器封装在一起，CPU在功能上越来越向SOC靠拢。现在的CPU除了控制器和运算器之外，还普遍集成了寄存器，高速缓冲存储器（Cache），控制及状态的总线（BUS），甚至还集成了北桥中的内存控制器（IMC）和PCIE控制器等，及南桥中的SATA控制器和USB控制器等。（当然了，还有集成GPU）

寄存器，缓存和内存
在计算机的存储器阶层中，寄存器的速度最快，缓存次之，再接着是内存。对应容量大小则刚好相反。

早期的计算机并不具备高速缓存的结构。我们知道，运算器在处理信息的速度是非常快的，只有寄存器才能勉强达到要求，但寄存器的容量非常小，所以处理器在寄存器中找不到需要的指令和数据时，处理器就会越过寄存器，直接访问内存，而内存的速度远远不能满足处理器的要求。
为了解决处理器访问内存造成的时延问题，1985年Intel在首次在主板上采用了SDRAM的高速缓存方案，作为CPU与内存之间的临时数据交换器。同时随着半导体工艺的发展，缓存结构也逐步迁移到处理器内部，速度得到进一步提升。

这里顺便解决一个问题，关于选购内存是否需要优先选择低时序内存的问题。
在一级和二级缓存效率已经非常高的情况下，为什么Intel和AMD等厂商还继续在处理器中增加了面积巨大，成本不菲的三级缓存呢？一个重要原因就是，让CPU在绝大多数环境下不要直接访问内存。三级缓存的设立效果斐然，现在的处理器仅有不到5%的环境需要在内存中调用数据，而且L3 Cache容量越大，从内存中调用数据的比率越低。
那么结果已经显而易见，选购内存的时候，最优先考虑的是内存容量，接着是内存带宽，其余的都是次要。

从图中可以看出L3 Cache的面积巨大，仅次于Core的面积。

前排

计算机的性能
由于现代计算机在硬件和软件层面上的复杂性和差异性，使得量化的性能评价变得极为困难。
以下内容将首先介绍不同的性能评价方式，再详细分析性能的不同测量标准以及相互间的联系，并列出经典的处理器性能测量公式。
如果我们说一台计算机比另一台计算机性能更高时，那意味着什么呢？
在谈及性能评价方式之前，我们先做一个假设，有两辆汽车，其中一辆载客量为2人、最高时速为280公里，另一辆载客量为7人，最高时速为180公里。
如果你更关心最高时速，那么可以认为第一辆汽车的性能更高；如果你更关心载客量，那么可以认为第二辆汽车的性能更高。

那么计算机也是如此。我们在两台不同的个人电脑上运行同一个任务，率先完成任务的那台计算机显然性能更快，即计算机的响应时间越短，性能越快。而在两台不同的服务器上，我们就说一天时间内完成任务更多的那台计算机性能更快，即吞吐率越大，性能越快。

其中响应时间（responsetime），也称为执行时间（execution time），表示计算机在完成某一任务所需要的总时间，包括了CPU执行时间，内存访问，硬盘访问，IO活动和操作系统开销等。个人用户应该更侧重于响应时间。
吞吐率（throughput），也称为带宽（bandwidth），表示计算机在单位时间内完成的任务数量。数据中心和超算领域等更侧重于吞吐率。