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CPU 入门:CPU、缓存、中断

Administrator
2024-02-19 / 0 评论 / 0 点赞 / 24 阅读 / 3932 字

**转载:**https://xiaolincoding.com/os/1_hardware/how_to_make_cpu_run_faster.html#%E5%85%B3%E6%B3%A8%E4%BD%9C%E8%80%85

CPU 基础

  1. 图灵机工作模式
  2. 冯诺依曼模型
    3. 内存
    4. 中央处理器
    5. 总线
    6. 输入输出设备
  3. 线路位宽和CPU位宽: 硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽,软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽
  4. 程序执行的基本过程
  5. 示例
  6. 总结
    1、CPU执行程序.pdf

CPU 执行任务

CPU 内部的多个 Cache + 外部的内存和磁盘都就构成了金字塔的存储器结构,在这个金字塔中,越往下,存储器的容量就越大,但访问速度就会小。

  1. CPU读取数据按照CPU Cache Line 大小为单位,CPU Cache Line 大小一般是 64 个字节的一块为单位进行的
  2. Cache Line 伪共享问题就是,多个线程同时读写同一个 Cache Line 的不同变量时,而导致 CPU Cache 失效的现象,对于多个线程共享的热点数据,即经常会修改的数据,应该避免这些数据刚好在同一个 Cache Line 中,避免的方式一般有 Cache Line 大小字节对齐,以及字节填充等方法
  3. 支持人为手段干预 Linux 的默认调度策略和优先级

2、CPU如何执行任务的.jpg

实模式和保护模式

CPU(中央处理单元)的实模式和保护模式是两种不同的工作模式,用于控制处理器在操作系统和应用程序中的行为。这些模式涉及到处理器对内存、访问权限以及执行指令的处理方式。

  1. 实模式(Real Mode): 实模式是早期x86架构的一种工作模式,通常用于早期的PC机。在实模式下,处理器使用的是20位的物理地址(1MB)来访问内存,这种模式下内存的访问是相对简单的,但限制了系统的可用内存和安全性。在实模式中,所有的内存访问都是直接的,没有分段保护或分页机制,也没有特权级的概念

  2. 保护模式(Protected Mode): 保护模式是x86架构中引入的一种更为先进的工作模式。在保护模式下,处理器可以访问超过1MB的内存,还引入了内存分段和分页机制,以及特权级的概念。这使得操作系统能够实现更好的内存隔离和保护,防止应用程序之间相互干扰。在保护模式下,内存访问受到更为严格的权限控制,操作系统可以分配特权级,限制用户态程序对系统资源的访问。

下面是更详细的比较:

实模式:

  • 使用20位物理地址,最大支持1MB内存。
  • 没有内存保护机制,任何程序都可以访问所有内存区域。
  • 所有操作在同一个特权级执行,即特权级为0。
  • 使用分段方式来访问内存,但分段没有提供有效的隔离和保护。
  • 寻址方式比较简单,物理地址直接对应到内存。

保护模式:

  • 支持32位或更高的寻址,可以访问更大的内存空间。
  • 引入了特权级的概念,处理器可以在不同的特权级下执行不同的指令。
  • 使用分段和分页机制来隔离和保护内存,实现虚拟内存和内存保护。
  • 允许操作系统分配不同的特权级,控制用户态和内核态的访问权限。
  • 提供更高级的硬件支持,例如虚拟内存、中断处理等。

保护模式为操作系统提供了更多的灵活性和安全性,允许多个应用程序并发运行,并保护它们的内存和资源不被其他程序破坏。

高效执行和数据读取

5、高效执行&数据读取.jpg

CPU缓存一致性

6、CPU缓存一致性.jpg

中断

7、软中断.jpg

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