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  • 操作系统硬件介绍-处理器(CPU)

    千次阅读 2018-07-25 19:37:35
    1.概述   最近因为工作方向变动,可能以后要从事Linux底层相关的开发工作,所以给自己定制了一个学习计划,系统的学习下操作系统,这门课程作为一个计算机专业的学生都会涉及,但本科毕竟学校学的知识毕竟有限,...

    1.概述 

        最近因为工作方向变动,可能以后要从事Linux底层相关的开发工作,所以给自己定制了一个学习计划,系统的学习下操作系统,这门课程作为一个计算机专业的学生都会涉及,但本科毕竟学校学的知识毕竟有限,况且当时自己也是经常打酱油,虽然考试成绩还可以,但只是一知半解,借此机会也奉劝一句在校的学生们,抓住机会好好学习,就算你以后不从事相关工作,也能锻炼自己的学习能力,毕竟操作系统还是有些难度的。好了,废话不多说,begin!!

          说到操作系统,操作系统与运行操作系统的计算机硬件密不可分,可以这么认为,操作提供帮我们和硬件之间做了一层适配,它来帮助我们管理当前我们所拥有的硬件资源,操作系统扩展了计算机指令集并且管理这些资源。作为一个程序员,如果不是从事内核或者一些偏底层的开发工作,一般都是调用操作系统提供一个系统调用,来满足一些应用需求的开发。这里先简要介绍一下现在个人计算机中的主要的计算机硬件,然后再一一剖析。

         从概念上来说,一台简单的计算机可以抽象成如下图所示的模型:

     

    像CPU、内存以及I/O设备都是由一条系统总线连接起来并通过总线与其他设备通信。现代个人计算机结构更加复杂,包含多重总线,但总体架构不会较大差异。接下来开始进入正题,“CPU”。

          CPU(CPU,Central Processing Unit)也叫中央处理器,其由一块超大的集成电路组成,是一台计算机的运算核心和控制核心。它的主要功能是解释计算机指令和处理计算机软件中的数据。

            中央处理器主要包括运算器(算数逻辑单元   ALU Arithmetic  Logic  Unit)和高速缓冲处理器(cache)以及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线(Bus)。它与内部存储器(Memory)和输入输出(I/O)设备是计算机中比较重要的三部分。

    2.硬件组成

         CPU主要包括运算逻辑部件、寄存器和控制部件等。硬件逻辑部件主要用来执行定点或浮点等一些逻辑操作。寄存器又包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分为定点和浮点两类,它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作和中间的操作结果。通用寄存器是CPU的主要部件之一。控制部件呢,主要是负责对指令进行解码操作,并且发出为完成每条指令索要执行的各个操作的控制信号。其结构又分为两种,一种是以微存储为核心的微程序控制方式,一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式

    3.主要功能

          CPU可以说是计算机的大脑,它从内存中取出指令并执行。在每个CPU基本周期中,首先从内存中取出指令,解码以确定其类型和操作数,接着执行,然后再取指、解码并执行下一条指令。每个CPU都有一套可执行的专门指令集。所以x86处理器不能执行ARM程序,而ARM处理器也不能执行x86程序。由于用来访问内存已得到指令或数据的时间比执行指令花费的时间长得多,因此所有的CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。通常指令集中提供一些指令,用以将一个字从内存调入寄存器,以及将一个字从寄存器存入内存,其他的指令可以把来自寄存器、内存的操作数组合或者用两者产生的一个结果,如将两个字相加并把结果存在寄存器或内存中。除了用来保存变量和临时结果的通用寄存器之外,多数计算机还有一些对程序员可见的专用寄存器。其中之一是程序计数器,它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出之后,程序计数器就被更新以便指向后继的指令。

            另一个寄存器是堆栈指针,它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含了每个执行过程的栈帧。一个过程的栈帧中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量。

            当然还有程序状态字(PSW)寄存器。这个寄存器包含了条件码位、CPU优先级、模式(用户态或内核态),以及各种其他控制位。用户程序通常读入整个PSW,但是,只对其中的少量字段写入。在系统调用和I/O中这类寄存器的作用则很重要。

     

           如上图,现在一般都是使用这种模式,其中有多个执行单元,例如:一个CPU用于布尔运算。两个或更多的指令被同时取出、解码并装入暂存缓冲区中,直至它们执行完毕。只要有一个执行单元空闲,就检查保持缓冲区中是否还有可处理的指令,如果有,就把指令从缓冲区中移出并执行。这种设计存在一种隐含的作用,即程序的指令经常不按顺序执行。在多数情况下,硬件负责保证这种运算与顺序执行指令时的结果相同,但是,仍然有部分令人烦恼的复杂情形被强加给操作系统处理。

          正常系统中的CPU都用两种工作模式,一种是内核态和用户态。通常,在PSW中有一个二进制的位控制着两种模式,当在内核态运行时,CPU可以执行指令集中的每一条指令,并且可以使用硬件的美中功能。在台式机和服务器上,操作系统在内核态下运行,从而可以访问整个硬件。相反,用户程序在用户态下运行,仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的子集。一般而言,在用户态中有关I/O和内存保护的所有指令都是禁止的。

          为了从操作系统中获得服务,用户程序必须使用系统调用,以 陷入内核并调用操作系统。TRAP指令把用户态切换到内核态,并启用操作系统。当有关工作完成以后,在系统调用后面的指令把控制权返回给用户程序。

          从Intel  Pentium 4引入了被称为多线程或超线程的特性,x86处理和其他一些CPU芯片就是这样做的,近似的说,多线程允许CPU保持两个不同的线程状态,然后再纳秒级的时间尺度来回切换。线程是一种轻量级进程,即一个运行中的程序。如果某个进程需要从内存中读出一个字需要花费多个时钟周期,多线程CPU则可以切换至另一个线程,多线程不提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程运行,但是线程的切换时间则减少到纳秒数量级。

           多线程对操作系统而言是有意义的,因为每个线程在操作系统看来就像是单个CPU。考虑一个实际有两个CPU的系统,每个CPU有两个线程。这样操作系统把它看成是4个CPU。如果在某个特定的时间点上,只有能够维持两个CPU忙碌的工作量,纳秒在同一个CPU上调度两个线程。

           除了多线程,还出现了包含两个或4个完整处理器或内核的CPU芯片。每个芯片都是一个独立的CPU,通过缓存来做并行处理。其实在大规模计算方面,现在的GPU性能毋庸置疑,GPU指的是由成千上万个微核组成的处理器。它们擅长处理大量并行的简单计算,比如图像渲染等,但是不适合做串行任务。

     

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  • CPU的内部架构和工作原理(好文)

    万次阅读 多人点赞 2018-04-26 23:09:00
    一直以来,总以为CPU内部真是如当年学习《计算机组成原理》时书上所介绍的那样,是各种逻辑门器件的组合。当看到纳米技术时就想,真的可以把那些器件做的那么小么?直到看了Intel CPU制作流程及AMD芯片的制作...

          转自:http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3563960.html

     

         

           一直以来,总以为CPU内部真是如当年学习《计算机组成原理》时书上所介绍的那样,是各种逻辑门器件的组合。当看到纳米技术时就想,真的可以把那些器件做的那么小么?直到看了Intel CPU制作流程AMD芯片的制作流程的介绍不禁感慨,原来科技是如此的发达。

           本文我们以Intel为例对CPU的工作原理做简单介绍,仅仅是简单介绍,那么AMD,ARM,MIPS甚至PowerPC你应该会触类旁通才对。

           还记得那是1968年7月18日,鲍勃-诺斯和戈登-摩尔的新公司在美国加利福尼亚州,美丽的圣弗朗西斯科湾畔芒延维尤城的梅多费大街365号开张了。并在成立不久斥资15000美元从一家叫INTELCO的公司手中买下了Intel名称的使用权。由此Intel这位半导体巨人开始了他在IT行业传奇般的历史。
           1971年11月15日,这一天被当作全球IT界具有里程碑意义的日子而被写入许多计算机专业教科书。Intel公司的工程师特德·霍夫发明了世界上第一个微处理器—4004,这款4位微处理器虽然只有45条指令,而且每秒只能执行5万条指令。甚至比不上1946年由美国陆军宾夕法尼亚大学研制的世界第一台计算机ENIAC。但它的集成度却要高很多,一块4004的重量还不到一盅司。 他因发明了微处理器,被英国《经济学家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的科学家之一”。Intel公司的CPU发展历程如下表所示:

           以及后面的Pentium 1,2,3和4,再到酷睿、酷睿2,这里就不再一一列举。Intel从8086开始,就进入了我们所谓的x86时代。而80386的诞生则标志着Intel正是进入了32位微处理器的时代。从80386到Pentium 4这个年代的CPU,就是传说中的IA-32时代。

           我们都知道CPU的根本任务就是执行指令,对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示:

     

    控制单元:控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由程序计数器PC(Program Counter), 指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

    运算单元:是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言,运算器接受控制单元的命令而进行动作,即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。

    存储单元:包括CPU片内缓存和寄存器组,是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点,这里先提一下。

     

          我们将上图细化一下,可以得出CPU的工作原理概括如下:

     

          总的来说,CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定,对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。
          上图中我没有画总线,只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器,诸如8085,8086/8088CPU,普遍采用了地址总线和数据总线复用技术,即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根,数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数,但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以,自80286开始,Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。
          不管是复用还是分开,对我们理解CPU的运行原理没啥影响,上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节,一头扎下去,浮不起来,不能从宏观上藐视敌人。
          OK,总结一下,CPU的运行原理就是控制单元在时序脉冲的作用下,将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去,然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据,会将数据地址也送到地址总线,然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来,最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始,一直这样执行下去,天荒地老,海枯石烂,直到停电。
           
    如果你对这段话还是觉得比较晕乎,那么就看我们老师是怎么讲的:
       1、取指令:CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴:

     

            操作码就是汇编语言里的mov,add,jmp等符号码;操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方,是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。
       2、指令译码:指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)。
       3、 执行指令,分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。
       4、 修改指令计数器,决定下一条指令的地址。

           关于CPU我们从宏观上把握到这个程度就OK了,后面我们会逐步进入微观阶段,依次介绍80X86寄存器及其用途,NASM汇编和AT&T的区别,以及C代码中嵌入的汇编语言的写法。之所以介绍汇编语言目的不是说用汇编去写代码,那是相当的不现实,除非你是硬件驱动工程师。稍微偏上层一点的开发人员懂点低等的东西,对自己理解整个系统的架构和原理是相当有好处的。

     

     

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  • 多个处理器和多核处理器的区别

    万次阅读 2017-04-16 16:46:50
    多个处理器:多个单核处理器,就是说电脑和处理器有多个,但是这个电脑的处理器是单核的; 多核处理器:单个多核处理器,也就是说电脑有一个处理器,但是这个处理器是多核的;  当然他们之间有这个很大的区别,...

    最近遇到了一个让人很是疑惑的问题,然后写出来供大家解疑:



    多个处理器&多核处理器?

    多个处理器:多个单核处理器,就是说电脑和处理器有多个,但是这个电脑的处理器是单核的;

    多核处理器:单个多核处理器,也就是说电脑有一个处理器,但是这个处理器是多核的;

            当然他们之间有这个很大的区别,对于这两个疑点,或许你一直是这么认为的(对于时间的执行效率有区别),但是更重要的不止这些,最为重要的是它们的资源利用率问题,下面我们讨论一下关于二者究竟谁更优秀:

            对于多个处理器而言,它们在执行命令的时候多个处理器之间的通信手段是电脑主板上的总线;而对于多核处理器而言,多个核心处理器之间通信时通过CPU内部总线进行信息的交互的。对于执行效率而言,多核处理器要优于多个处理器,在生活中,我们的电脑上常见的处理器都是单处理器,但是这个处理器是多核的,当然,一些IT工作者的电脑如果是在要求较高的环境下工作时,都采用的多个多核处理器配置。

           当然对于进程和线程问题而言,结合处理器问题,是这样的,进程资源调度的基本单位,线程是进程的一个实体,是一个执行单元,一个进程可能包含有很多个线程,计算机在启动之后,一个进程最少包含一个主线程,如果这个主线程结束了,那么这个进程也就终止执行了,主线程是以函数的形式提供给操作系统的。对于并行计算是在多处理器的情况下,操作系统把多个线程分配给响应的处理器,然后各自执行任务。

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  • 对于初学者来说,CPU是什么、什么是双核、4核、6核、8核等。下面,就以上的问题,我们做出一一解答。 概念:CPU是什么、做什么用、一般CPU是接在哪里的,我们先来看看CPU是什么,CPU既中央处理器、电脑中一个最重要...

    对于初学者来说,CPU是什么、什么是双核、4核、6核、8核等。下面,就以上的问题,我们做出一一解答。

    概念:CPU是什么、做什么用、一般CPU是接在哪里的,我们先来看看CPU是什么,CPU既中央处理器、电脑中一个最重要,最核心的东西,市面上能买到的CPU只有两种,一种是INTEL公司生产的,另一种是AMD公司生产的。如图1-1:

    在这里插入图片描述

    上图分别是INTEL和AMD公司两个厂家生产的CPU,CPU主要的工作就是处理和运算数据,所以,CPU运算速度、主频、缓存、核心数,这几个参数就决定了CPU的好坏,CPU的主频越高、缓存越大、核心数越多,这样的CPU运转速度就很快,处理图形图像文件起来,速度就越快,这种CPU的价格就比较贵,下面,我找两款CPU对比来说说他们的好坏。如图1-2:

    在这里插入图片描述

    我们来看看INTEL的CPU G2020和E3-1230这两款CPU的参数对比一下,G2020的主频:2.9G、缓存是一级缓存:128KB、二级缓存:512KB、三级缓存:3MB,核心数:2个,线程数:2个。我们在来看看E3-1230,E3-1230的主频:3.2G、缓存是一级缓存:256KB、二级缓存:1MB、三级缓存:8MB,核心数:4个,线程数:8个。从这两个CPU的参数来看,我们很明显的能够看出来,E3-1230的CPU比G2020的CPU要好很多,那么E3-1230这个CPU安装在我们的电脑上面,他到的运转速度很快,我们运行大型的游戏和处理大型的3D软件时候,就不会感觉到吃力,因为运算的速度很快。CPU一般都安装在主板上面,CPU上面有一个大大的散热片和散热风扇,由于CPU运算速度很快,会产生大量的的热量,这个时候,CPU风扇帮助CPU散热,如图1-3:

    在这里插入图片描述

    从上图,我们可以看出,CPU是安装在主板的CPU插槽上面的,安装的时候,有一定的方向性,INTEL的是CPU的凹槽对准主板上面的凸槽,AMD的CPU安装是金山角和底座的金山角对应,安装CPU的时候,不能使用蛮力,要让他自然的吻合上去,使用蛮力,不是主板上的针弯了,就是CPU的针弯了,一定要注意。
    我们知道了CPU是什么,CPU安装在什么地方,做什么用,那么,我们在来看看CPU的核心数和线程数是什么意思。我们来看看核心数,核心数越多,代表这个CPU的运转速度越快,性能越好,本来处理一个数据,一核CPU原来是用1个人处理数据,双核CPU用2个人处理同一个数据,4核CPU用4个人去处理同一个数据,那么大家想想,4个人做同一件事情,那肯定比1也人做同一件事情要快。我们明白了核心数越多,我们电脑运行的越快,那么,4核的CPU和双核的CPU在外观上看上去没什么区别,那么我们怎么去区分CPU是6核的还是4核还是双核的,线程数又是什么呢,线程数技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源,现在又双核双线程的CPU,有4核4线程CPU,有双核4线程CPU,有4核8线程的CPU,值得注意一下,很多不良商贩,经常糊弄消费者,把双核4线程的CPU当4核CPU卖,这个时候,大家一定要注意,那么,我们可以使用CPU-Z这个软件,检测出我们的CPU是双核4线程,还是4核4线程的,CPU-Z能帮我检测出CPU的完整信息
    在这里插入图片描述
    我们可以明显的看出来,这个是4核4线程的CPU,如果商家给你看设备管理器里面的,系统的设备管理器一般都只能看到线程数,看不到核心数,这里值得大家注意。我们在设备管理器看看我们的CPU的状况,如图1-5:

    理器下面,通常情况下,会显示线程数,而不是核心数,比如:4核8线程的CPU,在电脑里面“设备管理器”----“处理器”-----里面会显示8个CPU来,所以,有一些商家把双核的当4核卖,因为4核的CPU要比双核的CPU贵一些。所以,大家购买电脑的时候,一定要使用软件多测试一下,你电脑硬件的信息。好了,赶快检测一下你得CPU,看是什么样的性能。

    作者:西部风情
    来源:CSDN
    原文:https://blog.csdn.net/he_jian1/article/details/41208915
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