CPU运行机制和效率浅析（技术普及帖，计算机专业跳过）

最近在论坛里好像一直都在做管理的工作，很久没有发新帖子了。其实dream更喜欢跟大家做一些技术讨论的，最近在酝酿写几篇文章，对系统的整个运行机制做一些分析。这个是第一篇，主要针对CPU的运行机制和效率分析，目的是使对相关知识不熟悉的机油有一个初步的了解，有兴趣的都看看吧。
PS：为了大家能够更好的理解，下文尽量使用一些通俗的语气和比喻，避免使用太专业的术语，各位高手表笑偶[s:26]

先说一下本文要说明的几个概念（看不懂不要紧，下面就会解释）：

精简指令集，计算机CPU的一种设计模式，也被称为RISC（Reduced Instruction Set Computing 的缩写）。这种CPU指令集的特点是指令数目少，每条指令都采用标准字长、执行时间短、CPU的实现细节对于机器级程序是可见的等等。RISC设计的根本原则是针对流水线的优化。


复杂指令集，计算机CPU的一种设计模式，也被称为CISC（Complex Instruction Set Computer的缩写）。这种CPU指令集的特点是指令数目较多，每条指令专有功能、执行时间较长。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

流水线：CPU的重要运行机制，把一个重复的过程分解为若干个子过程,每个子过程可以与其他子过程并行进行。在运行一个子过程的同时可以运行其他不相关的过程，达到提高运行效率的目的。

跳转：在流水线执行过程中遭遇同时间遇到相同子过程时，将其中一个后延以避免资源冲突。

好了，现在可以打比方了。CPU的运行机制就是解决某个任务的过程，我们挑一个简单的任务来打比方，大家都是要吃饭的，就用做饭作为我们的任务好了。这个任务有两种解决办法，分别叫做RISC和CISC。
RISC需要分三个步骤来做，每一步都很简单，它的过程时这样的：米=〉（淘米+放水+加热）=>饭，括号内就是我们的运行机制。
CISC一步就可以做完了，米=〉（煮饭）=>饭。
这样我们就可以分析它们的特点了，RISC需要更好的控制（好比是饭还是需要人去做的），而CISC则完全是自动的（好比是一台全自动的机器，把米放进去就行）。RISC的步骤相互独立，具有更好的灵活性，我们把淘米换成洗菜就能变成煮青菜了（青菜=〉（洗菜+放水+加热）=>煮青菜）；而CISC功能单一，煮饭机只能煮饭，要煮青菜找青菜机去。反应在现实系统中，RISC功能更灵活，但是对编程要求很高（控制是由程序完成的），CISC指令数目更多（煮饭要有煮饭机，青菜要有青菜机，红烧肉要有...........），但是编程就很方便了。

接下来分析运行效率。假设RISC的每一个步骤都需要花费1个单位时间，而CISC的每个步骤需要花费2个单位时间（真人VS煮饭机，机器的单一效率总要比人快那么一点点吧[s:26] ），那么做一锅饭RISC需要3个单位时间，CISC需要2个单位时间。
但是塞班大家庭人气旺啊，一锅饭大家哪够吃呢？同志们，动手做饭吧！
问题出来了，锅只有一个（人穷啊，咱们买不起双核CPU），来不及喂饱这么多人啊。于是聪明人站出来了，我们应该充分利用资源，咱们人多啊，放水的同时我们可以淘第二锅米嘛，加热的时候也可以放第二锅水吗嘛，你你你，还有你，全部下去干活！于是,流水线正式登场！
流水线的原理，我们可以很容易的用下面的图来解释：

时间   1     2     3      4      5      6      
       淘米 放水 加热                         （路人甲友情操作）
               淘米 放水 加热                 （宋兵乙热情支持）
                       淘米 放水 加热         （看客丙倾情演绎）
                               淘米 放水 加热  （替补丁激情奉献）

同志们，群众的力量是无限的，在甲乙丙丁4位好同志的努力下，煮饭这一神圣而伟大的任务效率大大提高了。显而易见，参与工作的人员越多，工作的效率越高，在现实的系统中，这一参数称为流水线的级数，级数的多少决定了系统效率的高低，同时也决定了所付出的成本代价（雇人煮饭总要发工资吧）。
但是对于单一的CISC而言，流水线没有意义，没办法，煮饭机只有一个，人再多也是白搭，看下面：

时间  1    2    3    4    5    6   
        煮饭      煮饭      煮饭     

现在肯定有人要说了，6单位时间内，4位好同志已经煮完4锅饭了，煮饭机才干掉3锅，明显人力完胜机器，那我们还要CISC干吗？
对不起，兄弟，你太没追求了。现在都和谐奔小康了，几锅白米饭你就满足了？至少要做点菜吧，先简单点，就煮青菜好了，价格便宜量又足，我们一直都吃它。甲乙丙丁，开工了！

时间   1    2    3      4      5      6    7      8     9    10
      淘米 放水 加热 [color=red]洗菜[/color] [color=yellowgreen]放水[/color] [color=blue]加热[/color]      
              淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热  
                      淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热
                              [color=red]淘米[/color] [color=yellowgreen]放水[/color] [color=blue]加热[/color] 洗菜 放水 加热
                  
问题出现了，水池只有一个，水龙头只有一个，锅子也只有一个；淘米的同时就不能洗菜，两者不可能同时加水和加热。没办法，只有先把青菜放回冰箱，等到资源有空余的时候再继续流水。在现实系统中，资源无法共用的情况称作资源冲突，判断资源冲突和流水线等待的过程称为跳转，跳转的时间耗费取决于流水线的级数（人越多锅子越抢手）和任务的繁复程度（煮的东西越多锅子使用越紧张）。采用跳转的流水线如下：

时间   1    2    3    4    5    6    7    8    9    10
       淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热  
               淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热
                       淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热
                       跳转=========>淘米 放水 加热 洗菜 放水 加热

对于CISC而言，因为两个任务相互独立（煮饭机+煮菜机），不存在系统冲突，流水线如下：

时间   1    2    3    4    5    6    7    8    9    10
          煮饭      煮菜      
                       煮饭      煮菜           
                                    煮饭      煮菜
                                                 煮饭      煮菜

OK，在这种情况下，10个单位时间内，RISC完成3个任务，CISC完成了4个，复杂指令集的优势体现出来了。
接下来我们再把任务扩大，我们要吃红烧肉，再来份清蒸鱼，再来份.......................直到满汉全席被干出来为止。这里不推演了，有兴趣的自己排流水线看看。最后的结论就是，对于繁复度和流水线级数较低的系统，采用RISC指令效率较快，反之则CISC具有更大的优势。

好了，相信看到这里，大家应该对以上的概念有所了解了。接下来沿着上文的思路，对其他一些概念进行解释:：

中断：青菜洗好了，突然发现饭不够了，先停止煮菜，先把饭做好再回去煮菜。
顺序冲突：做饭团子必须先要有米饭，所以在流水线中必须先煮好饭再做饭团子，如果遇到没有多余的饭的时候，做饭团子的任务必须跳转等待。
混合指令机制，在使用煮饭机的同时也带动甲乙丙丁一起工作，充分利用空余的时间，具有较高的效率，但是必须有人进行调度控制（也就是需要专门的资源和设备进行管理）。

[[i] 本帖最后由 dream_crimson 于 2007-9-12 09:04 编辑 [/i]]

呼...............总算写完了，希望大家能够看得懂。另外请大家告诉dream是否对这些方面的内容和这种讲述方法感兴趣。如果大家觉得有帮助的话，dream会继续把这种形式的技术文章写下去。

[[i] 本帖最后由 dream_crimson 于 2007-9-11 13:50 编辑 [/i]]

专业撒，不好懂！！多看看！

很不错，解释的挺生动……不知道E50使用几级流水线的U？
RISC的U比较高效、节能，就是处理多任务，好像有点那个……其实，软件算法搞得好，可以弥补这个缺陷……
CISC的U，耗能，但是处理多任务的复杂情况有优势，而且，编程相对容易些……

对了，我已经收藏本帖。另外，必要时能否上些图，展示U的工作流程……
当然，方便的话……

不错！佩服！

偶八是计算机专业的，但多少也懂些这东西[s:26]

现在就是要弄清E50的U到底是什么来的？据说是阉割后的OMAP1710？

其实OMAP1710的性能还是很不错的，老诺出的6120C、5700等新机器上的369的U其实很一般的性能，这个U的代码为MXC300
MXC300的CPU频率高.但有一个至命弱点.
就是CPU的指令集比1710少了很多多媒体和无线网络的处理能力
你们看看一般用MX的CPU一般都不可能带WIFI的
还二级缓存才16K而1710有32K
而且据说只支持200W的摄像头
而6120C等的机器运行速度很快，是Symbian 9.2 FP1系统优化的好，高频的U带来的性能提升并不大，影响性能的主要是核心架构，比如CORE2 E6600才1.8G，但性能比P43.0G好的多

N95这类机皇不用说的，是另一种U，自带3D加速，支持OpenGL、、、、代码为OMAP2420，频率330[yct06]

[[i] 本帖最后由 8770375 于 2007-9-11 18:16 编辑 [/i]]

[s:26] 技术强贴~~~

我也很想弄清楚E50的U
支持楼主 [s:25]

相当好的文章 我是很希望塞班上有很多这样的文章还有讨论 技术是很让人着迷的东西[s:23]
关于小E的CPU我研究过很多，甚至上过德文的网站，但是至今没有敢肯定地说是什么 只是个人认为小E是TI的OMAP1710   
本人发过一个这样的帖子[url]http://www.dospy.com/bbs/thread-592698-1-1.html[/url] 讨论过这个问题
希望能出来一位高人解答！
希望斑竹多搞这类东西，塞班会更专业！！！

[s:27]

支持dream桑，支持技术贴！[s:25] [s:25] [s:25]
俺的PC是野鸡派的，纯应用型，对原理了解甚少
俺认为此帖写的甚妙，把本来看了有昏睡可能的CPU原理写的这么喷饭，实在是妙！必须收藏！
期待续作[yct42] [yct42] [yct42]

[[i] 本帖最后由 wingless-angel 于 2007-9-12 00:14 编辑 [/i]]

也来学习一下，顺手偷吃口饭[s:26]

本人A饭，对高主频米有感觉...手机上更是个鸡肋...看起来很美...可效率提升的幅度就没有数据那么夸张了...

E50的u主频235，N73主频206可两部机都用过的朋友应该很清楚73响应快一些的，当然这样的对比毫无意义，我只是想说英特而你倒是再升主频啊？升到5G变烤箱算了，最终还不是放弃嚼头，性价比又那么低...

好象跑题了[yct03]

[quote]原帖由 [i]转角车神[/i] 于 2007-9-12 01:04 发表 [url=http://bbs.dospy.com/redirect.php?goto=findpost&pid=7939039&ptid=647676][img]http://bbs.dospy.com/images/common/back.gif[/img][/url]
也来学习一下，顺手偷吃口饭[s:26]

本人A饭，对高主频米有感觉...手机上更是个鸡肋...看起来很美...可效率提升的幅度就没有数据那么夸张了...

E50的u主频235，N73主频206可两部机都用过的朋友应该很清楚7 ... [/quote]
N73的响应速度如果真的比E50快的话应该是N系软件优化的结果，我也用的AMD的U，对一味的高主频没什么感觉[s:26]

技术性太强

看了我就头疼，路过。

怀念老师给俺请中断的概念啊！！！[yct22]

不错！佩服！

我的偶像dream哥,希望不要怪俺顶晚了哈[s:26]

好文章，喜欢潜水也忍不住冒个泡了！支持Dream，支持技术贴！

哇高手啊，让大家都看到啊，也好好学习学习啊[s:26]

不错！好贴！支持！[s:25]

好贴 米看懂。。。 E51的CPU工作频率是369。。。

好文章!　　支持一下

好帖！！！期待下一个！！！

[s:25]

赞技术强帖

通俗易懂，写得不错，当时上学时要是老师这样讲课就好了！[s:26]

LZ写的好，我已经收藏了~

这种帖子才是好贴~

通俗的才是大众的~

支持楼主~~~楼主再接再厉

不就是线程么。。。