一个单核CPU架构实现哪些指令集（上）

1945年，天才科学家冯·诺伊曼（von Neumann）提出了一种计算机设计和实现体系结构，为现代计算机奠定了理论基础。冯·诺伊曼（von Neumann）架构有几个主要部分：

下面将简要描述CPU，指令和控制单元的概念。除了冯·诺依曼体系结构之的电子产品中，并且相对知名。此时，CPU成本和散热成为一个大问题，主频率难以超过10GHz。为了获得更快的计算速度和更好的性能，芯片设计人员决定绕过主频率，采用人群策略，并向CPU添加多个内核。

核心是可以运行指令的独立单元。它包含上述ALU和寄存器，并配备了L1和L2高速缓存。多个内核共享L3缓存。

多核和缓存

上图是多核处理器的电路图。每个核心旁边的黑色圆圈是L1和L2缓存。可以看出，各种类型的Cache占用CPU很大的空间。

多处理器多核结构

高性能服务器通常可以支持多个处理器并提供更多的计算核心。支持单个CPU的服务器称为单路服务器，支持两个CPU的服务器称为两路服务器，支持四个CPU的服务器称为四路服务器。上图显示了英特尔的四向体系结构。系统支持四个CPU。如果每个CPU具有8核，则系统可以提供32核计算能力。

线程和进程

以上是所有计算机硬件知识，线程和进程是操作系统创建的用于控制这些硬件的软件概念。

线程和进程

进程具有单独的计算资源，例如内存空间。

线程（线程）是进程的子集。默认情况下，进程启动一个线程。您还可以通过多线程编程来启动多个线程，并且多个线程共享共享进程的资源。

在出现多核体系结构之前，CPU只能在特定时间执行特定程序，而不能并行化。就像人们在某一时刻只能做一件事一样，“吃火锅唱歌”是不可能的，因为这两种活动都占用了他们的嘴巴。如果您想做其他事情，则必须停止其中之一。

在多核体系结构出现之前，CPU只能在特定时间执行特定程序，并且不能并行化。就像人们在某一时刻只能做一件事一样，“吃火锅唱歌”是不可能的，因为这两种活动都占用了他们的嘴。如果您想做其他事情，则必须停止其中之一。

单核单线程

如前所述，CPU处理速度为纳秒级，并且速度非常快。因此，在单核时代，为了同时处理多个任务，CPU首先在吃东西时先“吃火锅”，然后“唱一首歌”。唱歌时，多线程以这种形式实现。单个CPU每次都会切换不同的线程任务，这将招致一些资源开销。在吃饭和唱歌之间，人们总是必须休息一下！在CPU上快速切换多个任务就像为用户同时执行多个任务一样。

以Web浏览器为例。当浏览器打开网页时，通常需要下载网页中的资料并将其呈现到漂亮的屏幕中。在单核方案中，时间被划分为不同的片段，并且一定的时间段只能用于渲染，缓存或下载中的一项任务。每个任务都有一个优先级，CPU首先执行高优先级的任务。例如，当浏览器打开一个新网页时，它需要尽快显示该网页。背景音乐下载相对较慢。您可以等待网站呈现后再下载，因此有时背景音乐比网页晚半分钟。

多核和多线程

多核体系结构为用户提供了可以独立计算的多个核，这也意味着计算机可以同时并行执行多个任务，即并行计算（并行计算）。然后，Web浏览器使用一个内核来渲染网页，另一个内核则缓存其他材料，第三个内核下载背景音乐。

使用htop查看CPU和内存利用率

上图是我的macOS性能监控软件（htop）。 Windows上的类似软件是任务管理器。图片绿色栏的上部显示了当前的8个CPU内核和内存利用率，绿色栏的下部是我启动的多个进程。蓝色的是我的Chrome浏览器的进程。我还启动了Photoshop等软件。

当多个内核处理同一任务时，很可能会使用同一数据，并且可能会发生数据读写问题。

线程安全问题

例如，如果执行操作i = i + 1，则如果两个线程在短时间内将一个加到变量i，则该变量应加两次。因为两个线程之间的时间太短，再加上前面提到的缓存机制，所以计算过程和临时结果仍在寄存器和L1缓存中，没有时间写入主内存。线程B读取较旧的数据，因此发生数据不一致。这种问题称为线程安全问题。通常需要使用锁来处理线程安全性问题。

本专栏将在以后的文章中分享多线程编程和线程安全的特定情况。

摘要

现代CPU通常使用高速缓存来解决CPU对主内存的读写速度慢的问题。使用多个内核执行并行计算以加快程序执行速度。并行计算通常需要多线程技术，而如何操作多线程则对程序员构成了挑战。

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