【操作系统】计算机大脑CPU

1.CPU组成机构和存储器层级

（1）CPU是计算机硬件系统的核心部件-大脑

• 结构：运算器+控制器（两个部件里面有寄存器组）
• 通过CPU内部的总线进行通信

（2）单核CPU架构

• 控制器Control Unit简称【CU】
  • 计算机的指挥系统，用来控制计算机其他组件的运行。
• 运算器 Arithmetic/Logic Unit 简称【ALU】
  • 运算功能，用来完成各种二进制编码做算数运算和逻辑运算，包括加减乘、与或非运算，控制器+运算器=CPU
  • 运算器和控制器两大部件大多数集成在同一芯片，统称为中央处理器（Central Processing Unit ，CPU）
• 寄存器组 Register
  • 用暂存指令或数据、存储即将执行的指令等多个不同类型的寄存器

（3）多核CPU架构

• 每个核心是可以运行指令的独立单元，包含了ALU/CU和寄存器
• 每个核心配备L1 Cache和L2 Cache，多个核心共享L3 Cache

• 现在的服务器可以支持多个处理器（CPU），2个CPU，4个CPU等
• 假如4个CPU每块CPU内有8个核心，系统可对外提供32核计算能力
• 总核数=物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数
• 总逻辑CPU数 = 物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数 X 超线程数

（4）储存器的层级架构

• L0 寄存器

  • 离CPU最近 ，材料贵费用高，存储大小几字节，速度最快

• L1-Cache

  • 在 CPU 中，离CPU有一定距离，存储空间几十到几百KB

• L2-Cache

  • 在 CPU 中，离CPU的距离比如L1更远点，存储空间几MB到几十MB

• L3-Cahce

  • 在 CPU 中，离CPU的距离比如L2更远点，存储空间几MB到几十MB

• 内存

  • 位于主板上，由半导体硅制作，通过总线和 CPU 连接，几G到几百G不等，成本比上面更低

• 硬盘/SSD

  • 硬盘分机械硬盘和固态硬盘SSD，几百G到几十T不等，成本比上面更低

2.服务器CPU架构（X86、ARM）

（1）什么是指令

• 中央处理器CPU，执行用户和操作系统下发的指令
• 指令是以0 1二进制形式组织的机器码，在硬件物理底层-01用来控制高低电位
• 一个加法运算，在X86处理器上的的二进制代码【01001000 00000001 11000011】被称为机器码

（2）什么是指令集

• 指令集规定了一种CPU架构实现哪些【指令的集合】

（3）CPU架构指令集分类

• 精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）
  • 每个指令的运行时间短，完成的动作简单，但做复杂的多用需要多个指令来完成，一般小于200条指令
  • ARM架构的CPU：ARM公司做设计 给其他厂商生产CPU，如 高通、三星、苹果、华为海思、联发科，市面手机/小型设备等是采用这个架构,耗电少/电压低，面向移动领域
• 复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）
  • 指令数目多且支持的动作复杂，指令的长度不相同，执行消耗时也比较长，一般大于200条指令
  • X86架构的CPU：厂商有AMD、Intel公司等，在家用、商用领域，功耗大，在性能和兼容性方面做的更好

（4）CPU 32位和64位是什么意思

• 表示一次可以处理多少位二进制，8位的CPU一次只能处理一个字节
• 32位的CPU一次就能处理4个字节，64位的CPU一次可以处理8个字节
• 所以64位的CPU在处理速度上比32位的CPU理论上快了一倍

（5）安装软件的时候 经常看到对应的适合操作系统有 X86、X64

• X86是指Intel 的开发的一种32位指令集, 是一种cisc复杂指令集，所有Intel/AMD早期的CPU都支持这种指令集，32位操作系统则可以安装在32位(32位CPU)或64位(64位CPU)电脑上，但是浪费性能空间。
• X64是x86架构的兼容64位的CPU叫X64，后来intel公司也迈向64位时取的名称叫X86_64，intel和amd的X86架构CPU指令集上有很大差别但相互兼容，所以软件可以直接用，X64支持64位的系统，64位操作系统只能安装在64位处理器的电脑上(CPU必须是64位的)。

（6）关于ARM和X86选择问题

• ARM：

  • 近年来Arm64架构突起，先进制作工艺技术，大幅度降低单核功耗以及更高的CPU核心数

  • Arm64架构芯片用于低功耗和高性能，大幅度提升性价比

  • 比如华为鲲鹏920高性能芯片，苹果电脑M1芯片性能强劲，国产化不断将 Arm64 推向军队、政府、国企的供应商

• X86：

  • X86更偏向于高性能的台机，比如服务器，适合绝大部分用户的上云场景，不如做游戏块，用X86架构
  • 是一般用户选择阿里云服务器的主要架构，都是基于x86计算架构来选择的

3.常见CPU信息和超线程

（1）什么是CPU的超线程

• 超线程的英文是HT技术，全名为Hyper-Threading，中文名又名超线程。
• 把一颗CPU当作两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU。
• 每颗CPU可以有多个线程，常规数量是两个，如1核2线程，2核4线程，4核8线程。

（2）超线程的好处

• 多个物理CPU，各个CPU通过总线进行通信，效率比较低。
• 利用超线程技术模拟出两个逻辑内核共享同一个CPU资源，效率更高。

• 同一时刻可以有两个线程都占用CPU资源，两个线程都可以得到执行，实现同一时间执行两个线程的并行操作。
• 允许两个线程同时不冲突的使用CPU中的资源，通过超线程的技术来达到提高性能。

注意：CPU 的多线程和程序的多线程是不同的，CPU 的多线程是硬件多线程，程序的多线程是软件多线程，硬件的多线程是可以被当作一个 CPU 核心来调度执行任务的 CPU 资源

（3）阿里云ECS服务器 CPU规格说明

• 开启超线程：如果将每核线程数置为2，则该实例规格有2*2=4个vCPU，默认情况下实例规格开启超线程配置。
• 关闭超线程：如果关闭超线程配置，则1个物理核只能运行1个线程，实例的vCPU数量等于物理核数，为2

（4）如何查看CPU的相关信息

CPU的相关信息存储在 文件 /proc/cpuinfo 里面

• 查看CPU架构：uname -a

• 查看CPU厂家信息：cat /proc/cpuinfo | grep name | cut -f2 -d: | uniq -c

• 查看每个CPU的core，即常说的核心数：cat /proc/cpuinfo | grep “cpu cores” | uniq

• 查看服务器总的核心数，也就是逻辑CPU个数：cat /proc/cpuinfo | grep “processor” | wc -l
  • 物理cpu个数 * 每个cpu的核心数 * 超线程数

4.CPU执行指令的内存空间

（1）什么是内核

• 内核是一组应用程序，这类程序能够控制所有硬件及计算机活动。
• 内核抽象计算机内部硬件资源，并统一管理对外提供支持，内核操作 = 计算机硬件操作
• 内核是计算机资源的最大管理者，比如：CPU进程管理、内存管理、文件系统管理、网络接口管理等。

（2）什么是内核态核用户态

• 操作系统把进程的运行内存分为两个区域
  • 内核空间（kernel space），只有内核程序访问，也叫进程内核态，可以直接访问内存、磁盘等资源。
  • 用户空间（user space），专门给应用程序使用，也叫进程用户态，只能访问受限的用户资源。
• 其实就是CPU的两种工作状态：内核态和用户态，权限高和权限低
• 程序最终编译、解释成一条一条的CPU指令，然后指令都是CPU都在执行

（3）为什么要分内核态和用户态

• 目标：提高操作系统的稳定性及可用性，确保和平稳定

• 在CPU的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用会导致系统崩溃，比如申请，释放内存，杀进程等。

• 如果所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加

• CPU将指令分为特权指令和非特权指令

  • 常规将CPU特权等级分为4个级别：Ring0~Ring3
  • Linux系统只是用了【Ring0和Ring3】，运行在Ring0级别时称为运行在内核态，CPU可以执行任何指令，运行在Ring3级别时称为运行在用户态，CPU可以执行部分指令。

• CPU处于什么工作空间，实际上代表的时当前CPU正在执行什么级别的指令

（4）什么时候会从用户态切换到内核态

• 用户态的程序需要像操作系统申请更高权限的操作时，就通过【系统调用】向内核发起请求。
• 系统调用过程中，会发生CPU的上下文切换，CPU寄存器会先保存用户态的状态，然后加载内核态相关内容。
• 系统调用结束后，CPU寄存器要恢复原来保存的用户态，继续运行进程。
• 一次调用，发生两次CPU上下文切换

5.CPU的上下文切换

（1）什么是操作系统的【中断】

• CPU在执行【当前程序】时系统出现了【某种信号】使得CPU必须停止当前程序，去执行【另一个程序】来处理的紧急事务
• 处理结束后CPU在返回到原先暂停的程序继续执行，这个过程称为【中断】。

（2）中断操作分类

• 内部中断：指令执行时由CPU主动产生
• 外部中断：系统外部设备引发的程序中断

（3）Linux是一个多任务的操作系统

• 支持的任务同时运行数量远远大于CPU的数量。
• CPU运行程序，每个任务运行之前，CPU需要知道在哪里加载和启动任务。
• 这些信息存储-依赖CPU寄存器和程序计数器。
• 寄存器是CPU里面空间小但速度极快的内存，程序计数器存储CPU正在执行的或下一条要执行的指令的位置。

（4）什么是cpu的上下文切换

• cpu寄存器和程序计数器是cpu在运行任务前依赖的环境，也叫cpu上下文
• cpu的上下文切换先把前一个任务的cpu上下文保存起来【下次才知道任务从哪里加载+运行】
• 再加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器进行运行任务，每次切换 在【保存和恢复】上下文耗时几十纳秒 或 微秒 ，1μs【微秒】 = 1000ns【纳秒】

（5）cpu的上下文切换的场景

• 【系统调用切换】
  • 即内核态和用户态的切换，一直是同一个进程在运行，不切换进程
  • 一次系统调用的过程发生两次cpu上下文切换，切换过去，切换回来
• 【进程上下文切换】
  • 每个cpu都维护了一个就绪队列，存放活跃进程，根据情况进行调度
  • 进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在【内核态】
  • 比如你用【网易云听着歌、玩着英雄联盟】因为现在电脑多CPU多核心配置好，所以感觉不到切换
• 【线程上下文切换】
  • 进程是资源拥有的基本单位，线程是调度的基本单位，当进程只有一个线程的时候，可以认为进程就等于线程
  • 前后线程同属于一个进程，切换时虚拟内存资源不变
  • 上下文切换时需要保存的是线程私有数据，比如栈和寄存器
  • 同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，所以开发中用多线程代替多进程的原因
• 【中断上下文切换】
  • 快速响应硬件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件
    进程是资源拥有的基本单位，线程是调度的基本单位，当进程只有一个线程的时候，可以认为进程就等于线程
  • 前后线程同属于一个进程，切换时虚拟内存资源不变
  • 上下文切换时需要保存的是线程私有数据，比如栈和寄存器
  • 同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，所以开发中用多线程代替多进程的原因
• 【中断上下文切换】
  • 快速响应硬件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件
  • 打断其他进程时，就需要保存该进程状态，这样在设备事件结束后，就可以从原来的状态恢复