CPU消耗与指令系统

前情回顾：门电路与ALU

CPU组成

门电路 -> 半加器 -> 全加器 -> 加法器 -> ALU

上述的过程是一个ALU的基本组成流程

• 上层无需考虑下层组成，就像我们写代码时从不关心ALU执行流程一样，对外需要暴露出安全且低耗的接口
• 黑盒子思想，使用者无需关心具体的逻辑，只需关注使用方法，如果内部无法处理或异常情况，应当给予适当的提醒和告警

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CPU性能与消耗

上面说完CPU组成，再说说CPU性能分析和消耗

大致的性能指标

• 响应时间
• 主频
• 吞吐量
• CPU缓存
• CPU制造工艺，包括散热量和电子期间间隔，一般nm为单位

响应时间与主频

主频：时钟周期的倒数

从认知来说，主频越大，时钟周期越小，那么一般来说，在单位时间内能处理的指令就越多，响应时间也就越快；

但是随着主频的扩大和CPU体积的缩小，一定会达到一个极限；例如1978年的经典intel 8086CPU主频最高10MHz，2000年左右主频就达到了1Ghz，而现在写这篇文档的台式机主频却只有2.6Ghz。前20年增进了100倍，后20年主频只增进了不足3倍；

当然有大胆实验的Pentium 4， 2001年的 Pentium 4 和 Pentium D 主频设计之初设想为了惊人的 10GHz ，最后产品失败为止它的主频上限也才定格在 3.8GHz，也促使了 AMD CPU的快速发展；失败的原因在于消耗问题。

消耗

一个 3.8GHz 的奔腾 4 处理器，满载功率是 130 瓦。机场允许带上飞机的充电宝的容量上限是 100 瓦时。如果我们把这个 CPU 安在手机里面，不考虑屏幕内存之类的耗电，这个 CPU 满载运行 45 分钟，充电宝里面就没电了。而 iPhone X 使用 ARM 架构的 CPU，功率则只有 4.5 瓦左右。

CPU减少消耗，提升性能方式无非两种：增加晶体管密度、提升主频；当CPU体积、晶体管体积确定，密度也就很难改变，除非改变晶体管制造工艺；提升主频带来的问题就在于耗电和散热，即使抹硅胶、装风扇，甚至水冷都是有极限的

吞吐量

既然一个CPU核心单位时间内的处理速度到了一定极限，就多来几个核心，提高吞吐量，这也是现在CPU常用手段，4核心、6核心、8核甚至10核及以上都可见

如何增加代码性能（系统性能）？

• 响应时间 指令数×CPI×Clock Cycle Time
• 吞吐率 调度器：时间片轮转、先来先服务、最短作业优先

指令系统

指令集是不同操作系统（windows、linux）、不同平台（移动端和服务端）代码不能执行的根本原因。

网上有说是因为底层的可执行文件不同，例如 C 语言来说，经过 编译 -> 汇编 —>连接 -> 装载 之后在windows上形成的是 .pe 文件，而 linux 上是 .elf 文件，导致了程序不能相互执行，但实际上这些文件不能执行的根本原因是CPU的指令集不同。

CISC（Complex Instruction Set Computer） 和 RISC（Reduced Instruction Set Computer）

cisi一般总数在200-300，pentium（X86）191条，但实际上最常用的20%的指令占了全部使用的80%

而 ARM 基础指令集则只有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令

赛扬（Celeron）—> 桌面低 奔腾（Pentium）—>桌面中 酷睿 (Core)—>桌面高 至强（Xeon）—>服务器中 安腾（Itanium）—>服务器高 凌动（Atom，也面向移动设备）