【知乎】電腦硬件入門——基礎之CPU架構(gòu)解讀
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電腦硬件入門——基礎之CPU架構(gòu)解讀
木頭龍
中央處理器 (CPU)等 3 個話題下的優(yōu)秀答主
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前言
上一篇文章我們從整體上介紹了電腦的各個部件以及功能，CPU可以說是整臺電腦中最核心的部件。這篇文章里面，給大家介紹一下CPU里面都有什么。
我們家里用的電腦，CPU只有兩家廠商在生產(chǎn)：Intel和AMD。每家廠商都提供很多型號的CPU，這篇文章以Intel生產(chǎn)的，主流市場上的旗艦型號：Core i9-9900K為例子來介紹。
1、9900K整體架構(gòu)
還是先看圖[1]：
9900K大概可以分為5個部分：
CPU核心：圖中紅框部分為一個核心，9900K一共有8個核心。早期的CPU其實就只有這么一個東西，但現(xiàn)在的CPU逐步發(fā)展，把一些周邊的部件也集成在同一塊半導體晶片上，因此傳統(tǒng)的CPU就變成了現(xiàn)代CPU上的核心。此外，為了提高CPU的計算能力，單塊CPU中的核心數(shù)量越來越多，就消費級市場來說，從2005第一款雙核心CPU奔騰D發(fā)布到今天的單塊CPU晶片有8個核心的i9-9900K。
三級緩存（Level 3 Cache，簡寫為L3、L3$、L3C、L3 Cache）：圖中中間8個粉色塊組成的三級緩存，用于臨時存放內(nèi)存中的一小部分數(shù)據(jù)。這里分成8小塊，對應8個CPU核心。有時候L3也叫末級緩存（Last Level Cache，LLC），當然，對9900K這樣具有三級緩存的CPU，L3才等同于LLC。有的老式CPU有的只有二級緩存，LLC就是L2；某些服務器使用的CPU有四級緩存，LLC則是指L4。
核心顯卡：圖中左邊紫框部分，這個以后的文章中我們再介紹。
系統(tǒng)代理：圖中右邊綠色部分，這是負責連接CPU與其它部件的多個模塊的集合。從上到下分別是：
顯示控制器：負責核心顯卡輸出；
PCI-e控制器：負責CPU與外部IO設備連接，以后的文章我們會另外介紹；
eDRAM控制器：這個其實9900K是沒有的，某些定制型號會集成有特殊的內(nèi)存，稱為嵌入式動態(tài)隨機訪問存儲（Embedded Dynamic Random-Access Memory, eDRAM）。一般來說eDRAM是作為核心顯卡的專用顯存使用，這個控制器就是負責從eDRAM讀寫數(shù)據(jù)的。
內(nèi)存控制器：負責CPU與內(nèi)存連接，從內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)。
環(huán)形總線（RingBus）：把上面這些模塊連接起來的，上圖中標記著Ring的藍色圈。
2、核心架構(gòu)圖
這張圖看起來很復雜是不是？不用擔心，我們一個一個說。當然，我們這是入門知識，不會介紹的太細。
我們上一篇文章提到，現(xiàn)代CPU都是改進型哈弗架構(gòu)；并且舉了一個會計做財務報告的例子。這里我們繼續(xù)使用這個例子來介紹。但之前，我們稍微改一下做財務報告的方式，不是一個人全部做完，我們是一個團隊。有的同事根據(jù)制作指南列計算步驟，有的同事根據(jù)計算步驟在小紙條上列公式，有的同事負責從賬本上把數(shù)據(jù)抄到寫好公式的小紙條上，有的同事對著小紙條用計算器算數(shù)并且算完了寫回小紙條上，有的同事把小紙條上的數(shù)抄到最終的財務報表上。CPU里面，小紙條有一個專門的名稱，叫寄存器（Register）。
2.1 緩存子系統(tǒng)（Memory Subsystem）
一家規(guī)模比較大點的企業(yè)，完整的賬本很厚。我們做整年的財務報告，通常只需要每個科目的匯總數(shù)就可以了，為了方便，我們把每個科目匯總的那幾頁復印出來放在一起。
完整的財務報告制作指南也很厚，但一個企業(yè)可能只有其中很少一部業(yè)務。例如一家軟件公司，就不涉及原材料進貨、倉庫存儲之類的業(yè)務；很多公司也沒有貸款、投資之類的業(yè)務。所以我們也只把跟公司有相關(guān)業(yè)務的部分復印出來。
同樣的，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)很多，CPU只需要把計算用到的指令、數(shù)據(jù)放到緩存中——也就是圖中的紫色塊的緩存子系統(tǒng)。
2.2 前端（Front End）
CPU的前端其實就是我們上篇文章中的控制單元，負責對指令進行預處理。指令預處理大體上分為取指、預解碼、融合、解碼、分支預測、重排等操作。
取指（Fetch）
我們制作財務報表，第一步就是把制作指南拿出來。CPU也一樣，先把指令載入進來。
預解碼（PreDecode）
制作指南是一整頁的，我們要分解出第一步算哪個數(shù)據(jù)，第二步又是算哪個數(shù)據(jù)，在小紙條上把公式列出來，一張小紙條一個公式。CPU也一樣，要把程序中一整批的指令數(shù)據(jù)，拆分出來第一條是什么指令，第二條是什么指令；可能還需要對指令進行分類標志。預解碼后的指令放在指令隊列(Instruction Queue)里面。
解碼（Decode），又稱為譯碼
小紙條上的公式寫著：利潤=收入-支出，查帳本的同事就需要先把收入和支出數(shù)據(jù)從賬本中找出來，抄到小紙條上。同樣的，CPU碰到類似把內(nèi)存中兩個數(shù)加起來這樣的指令，需要分解成：
從內(nèi)存載入第一個數(shù)字；
從內(nèi)存載入第二個數(shù)字；
兩個數(shù)字相加
這樣三個指令。一般來說，我們把原始的指令稱為宏操作(Macro-Operations)，分解后的指令稱為微操作(Micro-Operations, μops)。
指令融合（Micro-Fusion/Macro-Fusion）
假設指南中有一個數(shù)據(jù)是算平均數(shù)的，某個按計算器的同事手上整好有一個可以直接算平均數(shù)的統(tǒng)計用計算器。那么，當我們在指南中看到一條類似?(A1+A2+A3+...+An)÷N?這樣的公式的時候，我們可以直接列算這幾個數(shù)的平均數(shù)公式，注明給這位同事算。CPU也一樣，某些指令是可以融合起來執(zhí)行的，例如：
比較A和B的大小；
如果A不等于B，跳轉(zhuǎn)到標志X的指令。
可以用一條指令JNE A,B,X來代替，這樣的處理稱之為指令融合。指令解碼前的宏操作融合，稱為Macro-Fusion，解碼后的微操作融合，稱為Micro-Fusion。
分支預測（Branch Prediction）
理論上，制作指南中列出的所有步驟，我們都要完成上面的這些處理。但假設制作指南中說，盈利的話要算某幾個數(shù)據(jù)，虧損的話這幾個數(shù)不用算，要另外算其它幾個數(shù)據(jù)。當我們計算過第一季度的數(shù)據(jù)知道企業(yè)第一季度是盈利的，我們算第二季度的數(shù)據(jù)時，想偷懶就直接跳過虧損要算的那幾個數(shù)據(jù)的處理了。CPU處理指令也是一樣的，負責預測的模塊叫分支預測器（Branch Predictor）
當然，如果算下來我們發(fā)現(xiàn)第二季度虧損了，還是要重新處理指南上的這些計算步驟。CPU也一樣。
指令重排，或者叫亂序執(zhí)行（Out-Of-Order，OOO），或者動態(tài)執(zhí)行（Dynamic Execution）
事實上，我們不一定要完全按照指南上的步驟第一步算什么，第二步算什么這樣算。只要公式列出來，數(shù)據(jù)抄出來了，就可以直接交給按計算器的同事去算。所以可能第一步要用的數(shù)據(jù)不太好找，按計算器的同事就先把第二步算出來了。
當然，這里有一個前提，就是算第二步的時候，不需要用到第一步的計算結(jié)果。
2.3 執(zhí)行單元（Execution Engine）
執(zhí)行單元也就是上一篇文章提到的運算單元了。也就是我們這個團隊里抄數(shù)據(jù)、按計算器的各位同事了。其中，按計算器的同事中，有的用的計算器簡單點，只能做四則計算，還只能算整數(shù)；有的用高級點的計算器，可以算小數(shù)；有的用統(tǒng)計專用的計算器；有的用更高級的可以算很多函數(shù)的計算器。當然，有這么多不同的計算器，什么樣的小紙條給哪位同事用，我們也需要有一個人來做分配小紙條這件事情。
數(shù)據(jù)存取單元（Load Data/Store Data)
CPU里面也一樣，有負責從緩存子系統(tǒng)中載入數(shù)據(jù)的Load Data單元；有把計算結(jié)果寫回去緩存子系統(tǒng)的Store Data單元。
計算單元
CPU里面負責具體計算的，根據(jù)計算類型、計算的數(shù)據(jù)不同，有多種計算單元：
整數(shù)算術(shù)邏輯單元（Integer Arithmetic Logic Unit，Int ALU)，算整數(shù)加減法/二進制運算；需要說明一下的，電腦里面很多小數(shù)計算也是通過移位操作處理后，用整數(shù)單元計算后再數(shù)小數(shù)位這樣的方式來處理的。
整數(shù)乘法器（Integer Multiplier，Int MUL），專門負責整數(shù)乘法的；
整數(shù)除法器（Integer Divider，Int DIV），專門負責整數(shù)除法的；
分支處理（Branch），負責各種跳轉(zhuǎn)指令的；
地址生成器（Address Generation Unit，AGU），這個稍微解釋一下，例如制作指南中說，總收入要和上一年度的總收入對比算增長率，那么就需要翻譯成“現(xiàn)在做2018年的年報，上一年度就是2017年度總收入”。CPU也是一樣，有的指令是把內(nèi)存地址A1的數(shù)和A1后面第五個地址的數(shù)相加，那么要先算出來A1后面五個地址A2到底是哪個地址。
整數(shù)向量ALU（Int Vect ALU），向量是指類似空間坐標+值（x，y，z, value）這樣的一組數(shù)據(jù)，其中x、y、z和value都是整數(shù)。類似整數(shù)，除了算加減法/二進制的整數(shù)向量ALU，還有整數(shù)向量乘法器、除法器（Int Vect MUL，Int Vect DIV）。
浮點向量加乘融合單元（Fused multiply–add，F(xiàn)P FMA），這個也要解釋一下。我們知道，105可以寫成?1.05×102?這樣的形式，這種形式在計算機中稱為浮點數(shù)。上面提到向量中，如果（x，y，z，value）中的一個或者多個都是浮點，就是浮點向量。而加乘融合，是指?A+B×C?這樣的計算，當然，可以算加乘融合的，自然也可以用來算加減法和乘法：A=0就是乘法，C=1就是加減法。
浮點除法單元（FP DIV）：算浮點除法的，也可以算一些常用函數(shù)例如開方、對數(shù)等。
其它：例如加密用的AES，字符串處理的Vect String，位查找的bit Scan（對一個二進制數(shù)據(jù)按照多種方法數(shù)0）
調(diào)度器（Scheduler）
有這么多不同的計算單元，CPU需要一個把不同的計算指令分配給對應計算單元的調(diào)度器。
不過呢，我們這個財務部比較特殊，分了幾個小辦公室，某幾個同事在一個辦公室里面，另外幾個同事又在另一個辦公室里面，而每次我們只能傳一張小紙條到一個辦公室。
在9900K里面，從圖中可以看到，不同的計算單元在不同的端口（Port）下，就是類似的情況。
寄存器文件（Register File）
計算財務數(shù)據(jù)的時候，很多數(shù)據(jù)的計算是需要多步計算的，具體到每一步的計算，可能要分給不同的同事來算。如果每一步列一張小紙條，等某位同事算完第一個數(shù)，再抄到第二張小紙條給另外一位同事，這顯然很慢很麻煩——直接列在一張小紙條上就好了嘛。
另外，我們有這么多同事，分配小紙條的同事每次傳小紙條可以一次分配好多張——當然，前提是分給不同的同事。
因為可能一張紙條要算好幾次，又有這么多紙條傳來傳去，因此為了不出錯，我們需要標明這張小紙條給誰算，算完了，負責分配小紙條的同事根據(jù)下一步要算的，把標注的名字改一下給另外一位同事去算。
CPU中的寄存器也一樣，一個數(shù)據(jù)可能需要不同的計算單元多次處理，又有那么多的計算單元分成了好幾組。所以我們需要多個寄存器，這些寄存器的組合稱之為寄存器文件。每個計算單元只能處理特定名稱的寄存器里面的數(shù)據(jù)，因此調(diào)度器經(jīng)常需要對寄存器進行分配、重命名、退出等操作。
更細節(jié)的電腦知識，我會在后續(xù)的文章中介紹，請保持關(guān)注。
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如果看完覺得有問題的話，請評論留言指正。
參考
^Coffee Lake - Microarchitectures - Intel - WikiChip?https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/coffee_lake
發(fā)布于 2019-05-15 20:11
計算機
中央處理器 (CPU)
電腦硬件
評論千萬條，友善第一條
55 條評論
默認
最新
浮梁賣茶人
我挺好奇你以前是干啥的
對CPU研究這么透徹
2019-05-15
回復15
木頭龍
作者
純愛好……
2019-05-15
回復6
煙花易冷
木頭龍
膜拜大佬
2022-01-17
回復贊
JZWSVIC
這要說的有點多，你這樣會漏掉很多部分的
2019-05-15
回復3
木頭龍
作者
科普文么，太長太原理性的估計也沒幾個人看……以后提及到再補充了……
2019-05-16
回復3
一世小雄
真是曲高和寡，那么好的文章就這么一點人看。。。
2020-08-13
回復1
凡性的提醒
挺硬核的，沒興趣愛好的人看著頭大
2022-03-07
回復2
Richard Han
指令融合那里的示例有點問題：「比較a和b，不相等則跳轉(zhuǎn)到x」，未進行macro-fusion前的匯編代碼應該是「cmp a,b
; jne x;」進行macro-fusion后變?yōu)椤竎mpjne a,b,x;」，而不是「jne a,b,x;」
2019-12-14
回復1
木頭龍
作者
謝指正
2019-12-14
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盛世行
這是一副要跟狼哥搶生意的樣子啊
2019-05-16
回復1
盛世行
木頭龍
文科生 一篇老狼一杯茶 邊查邊看 一個下午就過去了?
2019-05-16
回復2
木頭龍
作者
rouwanzi
@老狼
2019-09-18
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展開其他 2 條回復
瞎扯家
新入行pc、服務器生產(chǎn)制造業(yè)，答主的回答全是專業(yè)硬貨，讓我一頓猛補，認真從頭到尾看完了，非常好評
05-17
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kkkk
請教大佬個無關(guān)緊要的問題?
，看到好多微架構(gòu)圖的配色都和文中的一樣，這個是大家約定俗成的嗎？
01-22
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木頭龍
作者
不是，是因為大家都從相同的來源找圖片。
01-22
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意想不到
大佬 我想問下，Invalidate Queues這個在cpu是否存在呢？還是說這個目前只是理論并沒有實現(xiàn)這種東西
2021-08-09
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木頭龍
作者
意想不到
這個是微結(jié)構(gòu)層面的實現(xiàn)，一般來說沒有具體公開的資料，某些論文會有提及和解釋。
2021-08-09
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意想不到
木頭龍
懂了 謝謝。。讓我一頓好找
2021-08-09
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展開其他 2 條回復
執(zhí)念
請教一下，AMD的CPU和酷睿比，單核性能和多核性能到底怎么看的呀
2020-07-22
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張云舞
一通會計操作下來我暈了
2019-12-15
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知乎用戶9xGK50
評論里想從簡單的部分開始了解可以去讀下tomasulo相關(guān)的內(nèi)容。ReOrder Buffer(ROB)，Register Renaming（和RAT），Common Data Bus(CDB)是tomasulo算法的重要特征嘛～
要考期末的我太難了...
2019-12-14
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Dawei112
大佬快更新!
2019-10-04
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知乎用戶mdWSLL
寫得太好了，期待下一篇
2019-08-29
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lin
催更
2019-05-31
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李姚
支持答主。再長也看。
2019-05-31
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浪月
好復雜，這屬于專于知識了。
2019-05-27
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楊廣
還是不太理解pcie控制器直接集成到處理器片內(nèi)是怎么個結(jié)構(gòu)？處理器可以直接對話非內(nèi)存設備嗎？這些控制器上的設備不通過內(nèi)存直接跟處理器通訊？感覺微機原理白學了
2019-05-17
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木頭龍
作者
把CPU內(nèi)核，和集成了PCIe控制器的物理CPU分開看待就是了。這些理論/原理文章中所說的CPU僅僅是指代內(nèi)核。。
2020-04-20
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木頭龍
作者
小老虎
并沒有扔給pch，全在CPU里面了。
PCIe控制器在CPU內(nèi)部，pch的只不過是個switch。
2020-04-20
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展開其他 1 條回復
番茄燉牛肉
Haswell之前的架構(gòu)吧 ring bus 已經(jīng)進化到mesh了
2019-05-16
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木頭龍
作者
HEDT和至強才是Mesh，主流還是Ring
2019-05-16
回復1
yun瓜
奧利給
2019-05-16
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PC小白
接下來講操作控制器，時序發(fā)生器，流水和指令集？
2019-05-15
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木頭龍
作者
Akmak
item.m.jd.com/product/1
2019-05-16
回復5
PC小白
木頭龍
總要講的吧……不然不完整
2019-05-15
Pentium II & Pentium III架構(gòu)/微架構(gòu)/流水線 (7) - 微架構(gòu)框圖
一凡stkeke
于?2018-12-28 08:47:58?發(fā)布
306
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分類專欄：?Intel微架構(gòu)?文章標簽：?Pentium II?Pentium III?性能優(yōu)化?微架構(gòu)?MMX
版權(quán)
Intel微架構(gòu)專欄收錄該內(nèi)容
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訂閱專欄
Pentium II的微架構(gòu)
下面這幅圖來自于CSE 3322-001 （Fall 1999），在Mindshare的Pentium Pro體系結(jié)構(gòu)一書中也有類似的圖。
注意：Pentium II處理器中應該已經(jīng)全系標配MMX技術(shù)了，但是在下面這幅圖中并沒有體現(xiàn)；在Pentium III的微架構(gòu)中可以看到MMX指令的執(zhí)行單元。
PentiumIII的微架構(gòu)
下面這幅圖來自于Google “Pentium III diagram”關(guān)鍵字搜索結(jié)果。
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