2019-09-20

CPU架构分类

从CPU发明到现在，有非常多种架构，从我们熟悉的X86，ARM，到不太熟悉的MIPS，IA64等

	X86	ARM
指令集	复杂指令集（CISC)	精简指令集（RISC）
功耗	高	低
性能	高	低
扩展能力	X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备（如：硬盘、内存等）进行连接，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜，所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展	ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行
操作系统的兼容性	兼容Windows、Linux	Linux

X86架构来由

IBM 开始做 IBM PC 时，一开始并没有让最牛的华生实验室去研发，而是交给另一个团队。一年时间，软硬件全部自研根本不可能完成，于是他们采用了英特尔的 8088 芯片作为 CPU，使用微软的 MS-DOS 做操作系统。

谁能想到 IBM PC 卖的超级好，好到因为垄断市场而被起诉。IBM 就在被逼的情况下公开了一些技术，使得后来无数 IBM-PC 兼容机公司的出现，也就有了后来占据市场的惠普、康柏、戴尔等等。
英特尔的技术因此成为了行业的开放事实标准。由于这个系列开端于 8086，因此称为 x86 架构。

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X86架构组成

先看下计算机的工作模式

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对于一个计算机来讲，最核心的就是CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。这是这台计算机的大脑，所有的设备都围绕它展开。
CPU 和其他设备连接，要靠一种叫作总线（Bus）的东西，其实就是主板上密密麻麻的集成电路，这些东西组成了 CPU 和其他设备的高速通道。

CPU组件图

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运算单元

只管算，例如做加法、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。

数据单元

包括 CPU 内部的缓存和寄存器组，空间很小，但是速度飞快，可以暂时存放数据和运算结果。

• 通用寄存器
  AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。8个通用寄存器，用于在计算过程中暂存数据。

控制单元

控制单元是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某几个数据，计算出个结果，然后放在数据单元的某个地方。

• 指令指针寄存器IP（Instruction Pointer Register)
  指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。
• 代码段寄存器（Code Segment Register）
  存放代码段的起始地址。代码段的偏移量在 IP 寄存器中。通过它们可以找到代码在内存中的位置
• 数据段的寄存器（Data Segment Register）
  存放数据段的起始地址。数据段的偏移量会放在通用寄存器中。通过它们可以找到数据在内存中的位置
• 栈寄存器（Stack Register)
• 扩展段寄存器(extend Segment Register)

相关术语

地址总线

地址总线的位数，决定了能访问的地址范围到底有多广。例如只有两位，那 CPU 就只能认 00，01，10，11 四个位置，超过四个位置，就区分不出来了。位数越多，能够访问的位置就越多，能管理的内存的范围也就越广。

数据总线

数据总线的位数，决定了一次能拿多少个数据进来。例如只有两位，那 CPU 一次只能从内存拿两位数。要想拿八位，就要拿四次。位数越多，一次拿的数据就越多，访问速度也就越快。

CPU 各种性能指标

CPU使用率

CPU 使用率描述了非空闲时间占总 CPU 时间的百分比

• 用户 CPU 使用率，包括用户态 CPU 使用（user和低优先级用户态 CPU 使用率（nice），表示 CPU 在用户态运行的时间百分比。用户 CPU 使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。
• 系统 CPU 使用率，表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断）。系统 CPU使用率高，说明内核比较繁忙。
• 等待 I/O 的 CPU 使用率，通常也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比。iowait高，通常说明系统与硬件设备的 I/O 交互时间比较长。
• 软中断和硬中断的 CPU 使用率，分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。
• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的CPU 时间
  常用工具: top

平均负载

平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和 CPU 使用率并没有直接关系。
理想情况下，平均负载等于逻辑 CPU 个数，这表示每个 CPU 都恰好被充分利用。如果平均负载大于逻辑 CPU 个数，就表示负载比较重了。
常用工具: top uptime

上下文切换

上下文切换，本身是保证 Linux 正常运行的一项核心功能。但过多的上下文切换，会将原本运行进程的 CPU 时间，消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为性能瓶颈

• 自愿上下文切换
  是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说，I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
• 非自愿上下文切换
  是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。

常用工具

• vmstat 查看系统整体的上下文切换数 (cpu-cs context switch)

[work@ros-dev-29 ~]$ vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0      0 740092 325876 1174820    0    0     1     7    0    0  0  0 100  0  0

• pidstat -w
  cswch
  表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
  nvcswch
  表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数

[work@ros-dev-29 ~]$ pidstat -w
Linux 2.6.32-573.22.1.el6.x86_64 (ros-dev-29)   09/20/2019      _x86_64_        (4 CPU)

11:17:19 AM       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
11:17:19 AM         1      0.00      0.00  init
11:17:19 AM         2      0.00      0.00  kthreadd
11:17:19 AM         3      0.00      0.00  migration/0
11:17:19 AM         4      0.17      0.00  ksoftirqd/0
11:17:19 AM         5      0.00      0.00  stopper/0
11:17:19 AM         6      0.08      0.00  watchdog/0
11:17:19 AM         7      0.07      0.00  migration/1

指标工具指南

image.png