计算机硬件基础知识（二）CPU

一、 认识计算机的大脑

1.1、计算机所有的组成都是模仿人的某一功能或器官而产生的，计算机俗称“电脑”，计算机通上电后能够真的像人脑一样去工作。

1.2、为何要有计算机？为了执行人类的程序，从而把人类解放出来。优点：工作效率高。缺点：离开电活不了。

二、计算机硬件可分为五大部分：CPU（Central Processing Unit）、内存（RAM）、硬盘（hard disk）、输入设备（input）、输出设备（output）。

2.1、CPU：控制器+运算器+寄存器==>CPU又称中央处理器， 相当于人的大脑总的运算中心，控制中心。

　　控制器：计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器，从存储器中取出指令，经译码器分析后，根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件，使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

2.1.2、运算器：实现算术运算和逻辑运算的部件。

2.2、内存（内存储器）: 临时存储数据. 优点:读取速度快。 缺点:容量小,造价高,断电即消失。

2.3、硬盘（外存储器）: 长期存储数据. 优点:容量大,造价相对低,断电不消失。 缺点:读取速度慢。

　　存储器：是计算机用来存放所有数据和程序的记忆部件。它的基本功能是按指定的地址存（写）入或者取（读）出信息。

　　计算机中的存储器可分成两大类：

　　　　内存储器，简称内存或主存；

　　　　外存储器（辅助存储器），简称外存或辅存。 存储器由若干个存储单元组成，每个存储单元都有一个地址，计算机通过地址对存储单元进行读写。一个存储器所包含的字节数称为存储容量，换算单位如下

　　　　b = bit 位(比特)

　　　　B = Byte 字节1Byte = 8 bit    #一个字节等于8位 可以简写成 1B = 8b

　　　　1KB = 1024B　1MB = 1024KB   1GB = 1024MB　1TB = 1024GB　1PB = 1024TB　1EB = 1024PB

2.4、输入设备（Input）+输出设备（Output）==>IO设备 。

　　输入设备：是向计算机中输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。

　　输出设备：主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

2.5、计算机五大部分的工作流程是：输入单元-->内存-->CPU -->内存-->输出单元。如下图所示：

　　　　　　

三、CPU工作流程

3.1、CPU工作流程：从内存中取出指令--->解码--->执行。

3.1.1、CPU：运算器和控制的合称：中央处理器（Central Processing Unit），运算器主要负责运算和逻辑判断，控制器主要协调各组件和各单元的的工作。CPU的主要工作就是管理和运算。

3.1.2、运算器：是对信息进行处理和运算的部件，主要负责算术运算和逻辑判断运算又称为算术逻辑运算部件（arithmetic logic unit，ALU）。运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器和累加寄存器，用来暂存操作数并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存放速度快。

3.1.3、控制器：是整台计算机的指挥中心，它主要的功能是按照人们事先定义好的操作步骤，控制整个计算机的各个部件有条不紊的自动工作。

　控制器从主存中逐条的读取出指令进行分析，根据指令的不同来安排操作顺序，向各个部件发出相应的操作信号，控制他们执行指令所规定的任务，控制器中包括一些专用的寄存器。如下图所示：

　　　　　　

3.2、CPU指令集

　　引子：在超大规模集成电路构成的微型计算机中，往往将CPU制成一块具有特定功能的芯片，称作微处理器，芯片里面有提前编写好指令集。我们使用程序对计算机的所有操作最终会转换成CPU认识的指令去完成，如：对文件的增删改查，阅读网页，观看影音，这些都要参考CPU是否内置有关的指令集，如果没有就不会操作。

　　CPU是计算机的大脑，CPU在出厂时候集成了一系列具体控制其他身体器官做事的指令集（即指令集是CPU的灵魂），所以可以认为计算机的所有组件都是CPU发出的指令控制操作的。

　　程序员编程的目的是为了操作计算机的硬件进行工作，编写的代码会转换成CPU的指令集从而控制其他硬件工作。如下图所示：

　　　　　　

　　1、内存中存放的是程序员的代码（代码即指令）。

　　2、CPU从内存中取出这些指令后，翻译成自己能读懂的指令，再去执行该指令

3.3、指令集的深入学习：　　

　　一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。
　　　　a) 操作码其实就是指令序列号，用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。
　　　　b) 地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。在某些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。
　　　　c) 举个例子吧，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且第一条指令是加，第二条指令是减。当它收到一个 “00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到 ALU中进行减法运算，然后把结果送到00000110处。
　　这只是一个相当简单化的例子，实际情况要复杂的多。

3.4、CPU分类（了解）不同的CPU指令集对应的功能不同

　　我们已经知道CPU内部是含有微指令集的，我们所使用的的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念，这就是目前世界上常见到的
两种主要的CPU种类：分别是精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统。下面我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异！

# 1.1、精简指令集(了解)
　　精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：这种CPU的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；
但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。常见的RISC指令集CPU主要例如Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括PowerPC）系列、与ARM系列等。
注：Sun已经被Oracle收购；】

　　SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站中，包括银行金融体系的主服务器也都有这类的计算机架构；

　　PowerPC架构的应用，如Sony出产的Play Station 3（PS3）使用的就是该架构的Cell处理器。

　　ARM是世界上使用范围最广的CPU了，常用的各厂商的手机、PDA、导航系统、网络设备等，几乎都用该架构的CPU。

# 1.2、复杂指令集
　　复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）与RISC不同，在CISC的微指令集中，每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的
长度并不相同。因此指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。
    
# 总结：
    CPU按照指令集可以分为精简指令集CPU和复杂指令集CPU两种，区别在于前者的指令集精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳；但是若要做复杂的
事情，就要由多个指令来完成。后者的指令集每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间
较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。

3.5、X86架构的64位

#1、x86架构
    x86是针对cpu的型号或者说架构的一种统称，详细地讲，最早的那颗Intel发明出来的CPU代号称为8086，后来在8086的基础上又开发出了80285、80386....，因此这种架构的
CPU就被统称为x86架构了。
        
    由于AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用于个人计算机上面，因此，个人计算机常被称为x86架构的计算机！
    程序员开发出的软件最终都要翻译成cpu的指令集才能运行，因此软件的版本必须与cpu的架构契合，举个例子，我们在MySQL官网下载软件MySQL时名字为：
      Windows(x86,32-bit),ZIP Archive
      (mysql-5.7.20-win32.zip)   
    我们发现名字中有x86，这其实就是告诉我们：该软件应该运行在x86架构的计算机上。
#2、64位  
    cpu的位数指的是cpu一次性能从内存中取出多少位二进制指令，64bit指的是一次性能从内存中取出64位二进制指令。
    在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位，到现在，个人计算机CPU通常都是x86_64的架构。
    cpu具有向下兼容性，指的是64位的cpu既可以运行64位的软件，也可以运行32位的软件，而32位的cpu只能运行32位的软件。这其实很好理解，如果把cpu的位数当成是车道的宽，
而内存中软件的指令当做是待通行的车辆，宽64的车道每次肯定既可以通行64辆车，也可以通信32辆车，而宽32的车道每次却只能通行32辆车

X86架构的64位 cpu具有向下兼容性：64的cpu既能运行32位的程序也能运行64位的程序

 

3.6、CPU的历史发展

　　微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等
操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。
    计算机的发展主要表现在其核心部件——微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其他部件的相应发展，如计算机体系结构的进一步优化，存储器存取
容量的不断增大、存取速度的不断提高，外围设备的不断改进以及新设备的不断出现等。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。
第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代。
第2阶段（1974——1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代。
第3阶段（1978——1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代。
第4阶段（1985——1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。
第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。
第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第6代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是
所谓的能效比。
若想具体了解CPU历史参见百度百科：
https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%AD%E5%A4%AE%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/
284033?fr=aladdin&fromid=368184&fromtitle=%EF%BC%A3%EF%BC%B0%EF%BC%B5#10

 

四、内核态与用户态

代表cpu的两种工作状态
　　1、内核态：运行的程序是操作系统，可以操作计算机硬件
　　2、用户态：运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件

内核态与用户态的转换
　　应用程序的运行必然涉及到计算机硬件的操作，那就必须有用户态切换到
　　内核态下才能实现，所以计算机工作时在频繁发生内核态与用户态的转换

五、多线程和多核芯片

多线程与多核芯片
　　2核4线程：
　　　　2核代表有两个cpu，4线程指的是每个cpu都有两个线程=》假4核

　　4核8线程
　　　　4核代表有4个cpu，8线程指的是每个cpu都有两个线程=》假8核