计算机科学速成课第九课：高级CPU设计

0、概念梳理

• 缓存：在 CPU 中的小块 RAM，用于存储批量指令。

• •   缓存命中：想要的数据已经在缓存里

• •   缓存未命中：想要的数据不在缓存里

• •   脏位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫脏位，用于检测缓存内的数据是否与 RAM 一致。

• 多核处理器：一个 CPU 芯片中，有多个独立处理单元。

1、现代 CPU 如何提升性能：

早期通过加快晶体管速度，来提升 CPU 速度。但很快该方法到达了极限。

后来给 CPU 设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏，视频解码

2、缓存：

为了不让 CPU 空等数据，在 CPU 内部设置了一小块内存，称为缓存，让 RAM 可以一次传输一批数据到 CPU 中。（不加缓存，CPU 没位置放大量数据）

缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。

脏位：储存在缓存中与 RAM 不一致的数据

空等原因：从 RAM 到 CPU 的数据传输有延迟（要通过总线，RAM 还要时间找地址、取数据、配置、输出数据）。

3、缓存同步：

缓存同步一般发生在 CPU 缓存已满，但 CPU 仍需往缓存内输入数据。此时，被标记为脏位的数据会优先传输回 RAM,腾出位置以防被覆盖，导致计算结果有误。

4、指令流水线：

作用：让取址→解码→执行三个步骤同时进行。并行执行指令，提升CPU性能。

原本需要 3 个时钟周期执行 1 个指令，现在只需要 1 个时钟周期。

设计难点：数据具有依赖性 跳转程序

数据依赖性解决方法：

乱序运行、预测分支（高端 CPU）

5、一次性处理多条指令

6、同时运行多个指令流（多核 CPU）

多核处理器：一个 CPU 芯片中，有多个独立处理单元。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。

7、超级计算机（多个 CPU）

在一台计算机中，用无数个 CPU，做怪兽级的复杂运算，如模拟宇宙形成。

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来源： https://www.cnblogs.com/dollar/p/16685448.html