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中央处理器

中央处理器(CPU,Central Processing Unit)是计算机中的核心元件。CPU 的电路执行计算机程序的指令,比如算数、逻辑、控制和输入/输出指令。CPU 主要由算数逻辑单元(ALU,Arithmetic-Logic Unit)、寄存器(register)和控制单元(control unit)组成。

指令集架构与微架构

指令集架构(ISA,Instruction Set Architecture)是定义 CPU 的可编程接口的抽象模型。一个执行一种指令集架构描述的指令的 CPU 就是这个指令集架构的一个实现(implementation)。通常,一种指令集架构被一类 CPU 所使用。

微架构(Microarchitecture)是一套用于执行指令集的微处理器的设计方法。使用不同微架构的计算机可以使用同一种指令集。

根据指令集架构的复杂性(complexity),计算机可分为复杂指令集计算机(CISC,Complex Instruction Set Computer)和精简指令集计算机(RISC,Reduced Instruction Set Computer)。除此之外,还有较少使用的最小指令集计算机(MISC,Minimal Instruction Set Computer)和单指令集计算机(OISC,One Instruction Set Computer)。

复杂指令集的特点是指令数目多而复杂,每条指令的字长并不相等,为了判读不同字长的指令,会产生一定的性能损耗。x86 是一种常见的复杂指令集架构,由英特尔的处理器 Intel 8086 而得名。2003 年 AMD 发展出了 x86 架构的 64 位扩展,因此 64 位字长的 x86 架构又被称为 amd64,有时也称为 x64 或 x86_64。

精简指令集的特点是容易实现、指令并行程度好、编译器效率高。ARM(Advanced RISC Machine)是一种常见的精简指令集。因为 ARM 架构可以实现在发热较少、能耗较低的情况下达到较高的性能,许多采用 ARM 架构的芯片被用在移动设备上。苹果公司在几年前就开始在桌面设备 Mac 上使用自主研发的采用 ARM 架构的 M 系列芯片,和采用 Intel 芯片的 x86 架构 Mac 相比,采用 M 系列芯片的 Mac 发热和能耗显著降低,笔记本电脑的续航显著增强,并且展现出了极高的性能表现。

缓存

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时钟频率

大多数 CPU 采用同步电路(synchronous circuit),采用时钟信号(clock signal)调节 ...

核心、线程与并行性

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CPU 的结构

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CPU 的运行

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