早期计算机通过减少晶体管的切换时间提高运行速度。
过去的除法运算是通过若干个减法周期而实现的，现代ALU已存在真正意义上的除法功能等高级运算指令，因此，ALU甚至CPU的复杂度在不断上升，计算机发展史的复杂度与速度的平衡司空见惯。
CPU与RAM信息交互速度不一致
超高的时钟速度赋予了CPU更快的数据处理速度，但计算机所有操作的数据都源于RAM，CPU与RAM之间的数据交互速度小于cpu的数据处理速度，延迟的产生会造成一定问题。
交互桥梁 总线
解决延迟（两种方法）
1.“缓存”：
CACHE 缓存
数据按批次传递到缓存中，CPU从缓存读取或写入数据。
CACHE HIT 缓存命中：CPU想要的数据已经存在缓存中。
CACHE MISS 缓存未命中：CPU想要的数据未存在缓存中。
DIRTY BIT 脏位：缓存会在RAM结构的基础上在每一个地址处设立一个特殊标志，即脏位。CPU改写数据只在缓存中改写，当改写成功并与RAM对应地址的数据不同，脏位标志则会变“脏”，当缓存和RAM进行同步数据时（清理缓存腾出的空间），会先检查脏位，如果是“脏”的，在加载新内容之前，会把数据写回RAM。
2.“指令流水线”：
原始的CPU工作流程都是一个一个周期完成，也就是非并行的工作模式。
原始CPU工作流程
现代的CPU则采用并行处理指令的模式，增加了一个时钟周期完成的任务数目。
现代CPU工作流程
“指令流水线”存在的问题
1.假如B指令的执行需要的数据，必须是上一步指令A执行完后产生的数据，则此时的CPU不能采用“指令流水线的”工作模式。因此流水线处理器的使用前提是先弄清数据的依赖性，在必要时刻停止该工作模式。
乱序执行：针对这种问题，高端CPU会更进一步动态排序有依赖关系的指令，最小化流水线的停工时间。
2.条件跳转：跳转指令会改变程序的执行流。简单的流水线处理器，看到JUMP指令会先停一会，等待条件值确定下来，再判断是否跳转，继续流水线的模式。同样，这也会产生延迟，为了消灭延迟，高级cpu采用推测执行。
推测执行：CPU自行预测JUMP条件值的结果，并预先其结果对应的后续指令放入流水线，当JUMP的真实结果出来后，与CPU的预测值进行核对，如果猜对了，则马上执行已经塞满正确指令的流水线；如果猜错了，就要清空流水线。
分支预测：为了尽可能减少清空流水线的次数，提高CPU的预测正确率，CPU厂商开发的一种复杂的方法。（现代CPU的正确率超过90%）
多线程处理器
多线程其实就是单核多线程并行工作。
多线程并行工作模式
多核处理器
之前提及到的都是基于一个指令流，多核其实就是在一个CPU芯片里，有多个独立处理单元，基于多个指令流的工作模式。
四核处理器神威
神威·太湖之光超级计算机
神威·太湖之光
世界最快的超级计算机，含40960个CPU，每个CPU有256个核心，总共超过1千万个核心，每个核心的频率是1.45GHz，每秒可以执行9.3亿亿次浮点数运算。
网友评论