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接上一篇 学习笔记（四）
七、中央处理器CPU
1.CPU的结构
综上，一个CPU的大致结构如图。内存RAM是独立于CPU之外的，CPU通过数据线、地址线、控制线与内存通信。CPU内部有寄存器、算数逻辑单元ALU、控制单元CU、时钟。其中控制单元是指挥，算数逻辑单元负责具体计算（包括算术运算和逻辑运算），寄存器负责暂存少量数据，时钟负责发出规律的电信号来使CPU有序运行。
2. 提高CPU的速度
早期计算机的提速方式是尽可能减少晶体管的切换时间，但这最终会遇到瓶颈。CPU提速还有其它技巧。
（1）硬件
将常用的操作在硬件层面设计为单独的电路来运行，这样的ALU更复杂但CPU速度提升。现代处理器用专门的电路来处理图形、视频、加密等操作，如果使用标准电路来执行就需要更多的时钟周期。
（2）指令集
Intel4004是第一个集成CPU，有46条指令。之后的CPU指令越来越多，向下兼容，提供更加丰富的功能。
（3）缓存
CPU通过总线从内存中读取数据有一定的延迟，RAM的速度成为瓶颈，使得CPU空等数据。解决的方法是在CPU内部设计一小块存储器，即缓存，通常是kB级或MB级。内存可以一次传送一批数据到CPU中的缓存中，因为数据通常是按顺序处理的。当CPU需要数据时，如果数据在缓存中已经有了，这就时“缓存命中”，反之则是“缓存未命中”。因为缓存在CPU内部，一个时钟周期就能给数据，CPU无需空等。
缓存也可以用来存储运算结果的中间值，这样速度更快。但这可能产生缓存与RAM不一致的问题。所以缓存中每块空间有一个特殊标记，“脏位”（dirty bit），当缓存满了而CPU又要缓存时就检查“脏位”，若dirty bit 为true，就将缓存存储到内存中（清空缓存），然后再次使用缓存。
（4）指令流水线
一条指令的执行需要取指、解码、执行三个步骤，如果每条指令都按顺序执行的话，那一条指令需要三个时钟周期才能执行完。但其实这三个步骤使用的是CPU中的不同部件，因而可以形成流水线，进行并行处理。这样，就可以平均在一个时钟周期执行完一条指令。
但是有一个问题：一些指令之间存在依赖性，因此为了保证正确运行，就要停下流水线。于是，高级CPU会动态排序有依赖关系的指令，尽可能减少因为指令依赖关系而停下流水线的时间。这就是乱序执行，电路非常复杂，但效率高。
另一个问题是：条件跳转指令需要等待一些数据来做出判断，这会造成空等。跳转指令就像一个岔路口，需要数据来判断前进方向。现代处理器会提前预测可能的判断结果，将指令放进流水线，即“推测执行”。如果等数据出来，发现CPU猜对了，那么流水线上已经装满正确的指令，可以立即开始执行，这就提高了速度。但如果CPU猜错了，那么就要花时间清空流水线，然后再重新加载指令。这就像在岔路口选错了路，就掉头回去。通过一些复杂的电路设计，现代CPU进行“分支预测”的正确率超过90%，这就能大大提高效率。理想情况下，流水线一个时钟周期能完成一个指令。
（5）超标量处理器
超标量处理器就是一个时钟周期能完成超过一个的指令。有些指令在执行时，CPU中还是会有一些部件是空闲的，因此更优的设计是一次性处理多条指令（取指、解码）。也有的CPU中设计多个ALU，这样就可以同时进行多个数学运算。
（6）多核处理器
还可以使用多核处理器（一个CPU中有多个独立处理单元，每个处理单元可以共用一些资源）来同时运行多个指令流水线。也可以使用多个CPU。
3.超级计算机
中国无锡国家超算中心，神威·太湖之光超级计算机，有40960个CPU，每个CPU有256个核心，每个核心的频率是1.45GHz。
4.小结：基本概念的组成关系
总结
本篇内容：
1.CPU的结构
2.提高CPU运行效率的方法