What is CPU？

Posted on Sat, Jun 24, 2023 Operating System

最近遇到一件怪事，用服务器环境编译的速度竟然比在本地环境编译还慢（总体速度是快的，有些模块编译时间慢）。服务器的 CPU 性能是远远大于本地环境，当然编译速度不仅和 CPU 性能有关，也包含以下因素，

先抛开其他因素不谈吧，趁着这个机会总结一下 CPU 基础知识。

What is CPU？

CPU(Central Processing Unit) 中央处理器经常被称为是计算机的大脑，可以这样理解，与身体器官类比很形象的描述了 CPU 在众多计算机组件的重要性。但这仅是初步的理解，CPU 并不能生成指令，而是一些软件生成指令后，CPU 再去处理执行，让软件能在系统上完美融洽的运行。计算机的处理速度和响应时间在很大程度上取决于 CPU。除此之外，也会受到内存、核心处理能力和其他因素的影响。有时我们会遇到以下问题：

  • 程序运行很慢
  • 系统卡顿死机
  • 视频图形渲染卡顿
  • 软件运行很慢

让我们一起定位是不是 CPU 的性能问题，有什么方法进行调优，首先看下 CPU 到底在计算机中做了哪些工作。

What does a CPU do in a computer?

  1. 执行程序：从内存中读取指令，并执行。通过时间分片技术，可实现多任务同时执行。
  2. 数据处理：处理各种数据，包括数字、字符、图像、音频等。通过执行数学运算、逻辑判断、数据转换等操作，以实现对数据的处理和分析。
  3. 控制硬件设备：控制计算机系统中的各种硬件设备，如硬盘驱动器、显示器、键盘、鼠标等。接收设备信号，发送控制信号，从而实现用户与计算机的交互。
  4. 网络通信：处理网络数据包，进行数据传输和接收。
  5. 数据存储管理：管理内存和缓存，包括数据的读取、写入、分配和回收等。将数据从内存中读取到寄存器或缓存中进行处理，并将结果写回内存。

总的来说，CPU是计算机系统的核心处理器，它执行程序指令、处理数据、控制硬件设备，以及支持各种应用和任务的执行。

CPU Components

  1. 控制单元（Control Unit）：负责协调和控制CPU内部的各个部件以执行指令。它包括指令寄存器、程序计数器和指令解码器等。
  2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）：ALU是CPU的关键组成部分，负责执行算术和逻辑运算，如加法、减法、乘法、逻辑与、逻辑或等。ALU通常包含运算器和状态寄存器。
  3. 寄存器（Registers）：寄存器是CPU内部的高速存储器，用于存储指令、数据和中间结果。CPU包含多个寄存器，包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等。寄存器具有非常快的访问速度，用于加快指令的执行和数据的传输。
  4. 数据通路（Data Path）：数据通路是连接CPU内部各个部件的路径，用于传输数据和控制信号。它包括数据总线、地址总线和控制总线等。数据通路起到了连接各个部件的作用，使得数据可以在CPU内部进行传输和处理。
  5. 缓存（Cache）：缓存是CPU内部的高速存储器，用于临时存储频繁访问的数据和指令。缓存分为多级，包括一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）和三级缓存（L3 Cache）。缓存的存在可以提高CPU对数据的访问速度，减少对主存的访问次数。
  6. 总线（Bus）：总线是连接CPU和其他计算机组件的通信通道。它包括数据总线、地址总线和控制总线，用于传输数据、地址和控制信号。总线起到了连接CPU与其他硬件设备的作用，使得CPU可以与内存、输入输出设备等进行数据交互。

CPU History

CPU的发展轨迹可以追溯到计算机的起源，并经历了多个阶段和重要的技术进步。以下是CPU发展的一些关键阶段和里程碑：

  1. 早期计算机：在早期计算机时代，CPU是基于真空管和继电器等电子元件构建的。这些计算机的处理速度非常慢，体积庞大，并且耗电量很高。
  2. 集成电路：20世纪60年代，随着集成电路的发展，CPU开始采用集成电路芯片的形式。这使得CPU的体积减小、功耗降低，并且性能得到了提升。
  3. 微处理器的出现：1971年，英特尔公司推出了第一款商用微处理器Intel 4004。微处理器是一种将CPU的功能集成到单个芯片上的技术，它标志着个人计算机时代的开始。
  4. 摩尔定律：摩尔定律是指每18至24个月，集成电路上可容纳的晶体管数量会翻倍，价格保持不变。这一定律促进了CPU的快速发展，使得晶体管密度和性能不断提高。
  5. 多核处理器：为了进一步提高性能，CPU开始采用多核设计，即将多个独立的处理核心集成到单个芯片上。多核处理器可以同时执行多个任务，提高多线程应用的效率。
  6. 架构优化和指令集：随着时间的推移，CPU的架构得到不断优化和改进，以提高指令执行效率和功耗控制。同时，新的指令集和技术（如SIMD指令集、超线程技术等）的引入也进一步提高了CPU的性能和多任务处理能力。
  7. 高性能计算：为了满足高性能计算需求，出现了专用的处理器架构，如图形处理器（GPU）、向量处理器（Vector Processor）和协处理器等。这些处理器在特定领域或任务上具有出色的性能和并行计算能力。

总的来说，CPU经历了从早期的简单电子元件到现代复杂的微处理器的演化过程。随着技术的不断进步，CPU在性能、功耗、集成度和并行处理能力等方面取得了巨大的发展，推动了计算机和信息技术的飞速进步。

What makes a CPU good?

Clock Speed

Clock Speed 决定了 CPU 在一个周期内可以执行多少指令，它代表了执行指令的速度。通常以赫兹（Hz）为单位表示，如2.4 GHz（即每秒钟执行24亿个时钟周期）。然而，由于较高的速度会产出额外的热量和更高的功耗，导致时钟速度的进步开始停滞不前。

Cores

Cores 是指独立的处理单元数量。多核心设计使得CPU能够同时处理多个任务和线程，提高处理器的并行计算能力。每个核心在逻辑上独立，拥有自己的寄存器、缓存和执行单元，可以独立执行指令和处理数据。多核的 CPU 对于多线程应用程序、多任务处理和并行计算任务非常有用，然而，对于单线程程序无法充分利用多核并行能力，因此不会带来明显的性能提升。

Hyper-Threading

多线程技术允许在一个CPU核心上同时执行多个线程。通过在一个核心上切换执行不同的线程，CPU可以实现并行处理和提高系统的整体性能。Hyper-Threading 的可用性取决于CPU型号和制造商。

Cache

Cach 用于临时存储频繁使用的数据和指令，以加速访问数据。cache 大会提高缓存命中率，减少内存访问延迟，但过大会带来更高成本和功耗，以及延迟和访问时间过长的问题。

Clock speed vs. Cores

可将 Clock speed 视为跑车，Cores 视为卡车。在选择CPU时，取决于具体的使用场景和需求：

How to check Key CPU Metrics

CPU Usage

用于衡量 CPU 忙于执行任务的时间百分比。表示 CPU 上的工作负载，高 CPU 使用率表示工作负载过重。可以使用 top 进行查看：

CPU usage: 3.41% user, 4.43% sys, 92.15% idle

以上表示：

CPU Load Average

表示在特定时间段内 CPU 的平均工作量。CPU 负载平均值的计算方法是定期对 CPU 使用情况进行采样，然后在指定的时间段内对这些值求平均值。时间段通常定义为过去 1、5 和 15 分钟，分别表示短期、中期和长期负载平均值。可使用 top 查看：

Load average: 0.50 (1 minute), 0.75 (5 minutes), 0.90 (15 minutes)

在此示例中，1 分钟间隔的平均负载为 0.50，这意味着 CPU 在过去一分钟内平均仅以 50% 的容量使用。5 分钟 75% 的使用率， 15 分钟 90% 的使用率。

通常，平均负载低于 1.00 表明 CPU 具有空闲时间，可以有效地处理额外的工作负载。平均负载高于 1.00 表示 CPU 正在充分利用，并且可能对处理任务有更高的需求。负载平均值高于 2.00 表示 CPU 工作负载相对较高，表明 CPU 正在接近或以最大容量运行。

CPU Clock Speed

执行以下命令可以查看每个CPU核心的当前时钟频率：

watch -n 1 "cat /proc/cpuinfo | grep MHz"

CPU Core Count

运行 lscpu 命令，它将显示有关 CPU 的详细信息，包括核心数量、线程数量等。 CPU(s) 或 Core(s) per socket 字段，表示系统中的CPU核心数量。

CPU Thread Count

运行 lscpu 命令， Thread(s) per core 字段，表示每个CPU核心的线程数量。通过将此值乘以核心数量，可以得到CPU的线程总数。

CPU Scaling Governor

CPU Scaling Governor（CPU频率调节器）是用于管理和调整CPU频率的软件模块。控制着CPU在不同工作负载下的运行频率，以平衡性能和功耗之间的关系。不同的CPU scaling governor算法可以根据需求调整CPU频率，以实现最佳的性能和能耗平衡。默认的CPU scaling governor通常是 ondemand 或 powersave 。

查看当前的 CPU scaling governor：在终端中执行以下命令：

cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

Summary

本文介绍了 CPU 的定义和组成，以及 CPU 的发展历程和性能指标。其中，Clock Speed、Cores、Cache 和 Hyper-Threading 是影响CPU性能的关键指标。此外，本文还介绍了如何检查 CPU 的关键指标，如 CPU 使用率、CPU 负载平均值、CPU 时钟频率、CPU 核心数量、CPU 线程数量和 CPU Scaling Governor 等。

Reference