CPU

• 介绍
  • 单cpu串行工作，前任务完成，后任务才开始
    • 串行不适合图形处理(多点，线，面要同时乘投影矩阵)
  • cpu把大量空间和电量分配给控制器和缓存，不能集成太多计算单元
  • cpu内存通过cpu总线连接, cpu总线与pci总线通过主桥(北桥)连接
    • gpu在pci总线上
    • 控制逻辑在cpu中运行, 生成渲染数据, 到内存, 再到显存显卡计算。
    • 内存到显存数据传输最花费时间。
• 原理
  • 处理单元(processing unit)
    • 算术逻辑单元(arithmetic logic unit)
    • 处理寄存器(processor register)
  • 控制单元(control unit)
    • 指令寄存器(instruction register)
    • 程序计数器(program counter)
  • 指令集架构(ISA, instruction set architecture)
    • 机器码易兼容, 软件易编程, 易升级cpu
    • 精简指令集RISC(reduced instruction set computing)
    • 复杂指令集CISC(complex instruction set computer)
  • 时钟频率(clock speed)
  • 生产
    • 生产线散热决定生存率，决定cpu型号
  • 多级缓存
    • L1, L2, L3, L4
  • 虚拟化
    • 虚拟机监视器(VMM, virtual machine monitors)
• 分类
  • 指令流的重数分类
    • SI(single instruction stream)单指令流
    • MI(multiple instruction stream)多指令流
  • 操作数流的重数分类
    • SD(single data stream)单数据流
    • MD(multiple data stream)多数据流
  • SISD 串行计算机
  • SIMD 阵列机(多处理单元)
  • MISD 很少
  • MIMD
    • 多处理机
    • 多计算机
• 硬件并行
  • 位级(bit-level): 32位, 64位计算机
  • 指令级(instruction-level) # 处理器内部并行度很高
    • 流水线
      • 指令分步骤(指令流), 每步专门部件处理
      • 多指令流并行, 部件不空闲等待单指令流结束
      • 六级流水线步骤
        • 取指(FI), 译码(DI), 计算操作数地址(CO), 取操作数(FO), 执行指令(EI), 写操作数(WO)
    • 多发射(超标量)
      • 一时钟周期处理多指令
    • 超线程
      • 模拟多个逻辑线程
    • 乱序执行
    • 猜测执行
  • 数据级
    • 向量体系结构、图形处理器
    • 单指令多数据(SIMD)架构
  • 线程级 # 紧耦合硬件模型中开发数据级或任务级并行，线程间有交互
  • 请求级 # OS或程序耦合任务间并行
• 程序并行
  • 数据级(DLP, data-level parallel)
  • 任务级(TLP, task-level parallel) # 多处理器, 超线程, 虽只有4个核，但可用核返回8
    • 内存
      • 共享内存模型
      • 分布式内存模型
    • 进程: 独有内存
    • 线程: 共享进程内存(地址空间、文件描述符)
      • 一个进程下的轻量进程
      • POSIX线程api是对已有unix进程模型扩展, 与进程多方面类似
        • 自己的信号掩码
        • cpu affinity(倾向在某cpu尽量长时间运行)
        • cgroups
• 进程调度
  • 等级
    • 高级调度(High-Level Scheduling)
      • 作业调度, 后备作业调入内存运行
    • 低级调度(Low-Level Scheduling)
      • 进程调度, 就绪队列中某进程获得cpu
    • 中级调度(Intermediate-Level Scheduling)
      • 虚拟存储器引入, 内外存对换区进行进程对换
  • 方式
    • 非剥夺方式
      • 处理机分配给某进程后一直运行下去,直到阻塞时,才分配处理机到另一个进程
    • 剥夺方式
      • 进程运行时,系统基于某种原则,剥夺分配给它的处理机.
      • 采用算法
        • 先进先出算法
          • 批处理系统用. 总把处理机分配给最先进队的进程, 将一直执行下去,直到阻塞
        • 短进程优先(SCBF Shortest CPU Burst First)
          • 批处理系统用. 从就绪队列中选出下一个cpu执行期最短的进程,分配处理机
        • 轮转法
          • 分时系统中,都采用时间片轮转法
• 程序计数器
• WC Buffer
• CPU 局部性原理
• 内存屏障
• 汇编
  • lock指令
    • 指令执行完之前，锁内存
    • lock_add
• CPU缓存一致性协议