CPU 概述

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是计算机的核心组成，可以根据指令执行基本运算、逻辑运算、逻辑控制以及 IO 操作等。 CPU 的组成部分如下：

• 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），主要执行一些基本运算和逻辑操作
• 处理器寄存器（Processing Registers），主要是给 ALU 提供操作数并存储 ALU 的操作结果
• 控制器（Control Unit），通过协调 ALU，寄存器以及其他组件之间的操作，从主存中取得并执行相应的指令

当前大多数 CPU 都是微处理器，包含在单个集成电路芯片（Integrated Circuit Chip）中。一个包含 CPU 的集成电路可能也包含内存，外围接口以及其他一些计算机组件，这样的集成设备称之为微控制器（Microcontrollers）或者芯片上的系统（SoC）。一些计算机用多核处理器，即单个集成电路芯片上有两个或者更多的 CPU（也被称为 cores），这种情况下，单个集成电路芯片也被称为 Sockets。

CPU、主存与 IO 之间的交互

CPU 主频（时钟频率）

时钟频率是指单位时间内产生数字脉冲的数量。例如时钟速度为为 3.2GHz，那么 CPU 每秒就会执行 32 亿个周期，理论上时钟速度越高，也就是主频越高，CPU运行的速度就越快。

主频的计算公式如下：

主频 = 外频 * 倍频

其中，外频（系统总线频率）是 CPU 与主板之间同步运行的速度，决定着整块主板的运行速度，单位是 MHz。为了追求更高的性能，各大巨头纷纷想办法提升主频。最后虽然主频提升了，但是外部芯片组还是旧有的运行频率，且远远低于CPU 主频，因此性能遭遇到瓶颈。为了解决这个问题，出现了外频和倍频。

倍频，也称为倍频系数，指 CPU 的核心工作频率与外频之间存在着的一个比值关系。在倍频概念出现之前，外频就相当于 CPU 的主频，两者速度一致。随着 CPU 的速度越来越快，倍频技术出现。即使外频工作速度较低，也可以通过倍频来提升 CPU 速度。

CPU 的主频受到实际运算的速度的影响，并不直接代表运算速度，也并不是越高越好，但是提高主频对于提升 CPU 运算速度来说是至关重要的。

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多个 CPU

在计算机发展历史中，由于人们的目标一直都是一台计算机可以同时做多件事且做得更快，因此，人们想出增肌 CPU 的数量来增加计算机的计算能力和速度。多个 CPU 在 PC 端并没有得到很好的普及，反而在服务器的应用上大放异彩。多 CPU 的方式被称之为分布式计算，简单理解就是多台计算机相连，各自承担统一工作的不同部分，在人的控制下，同时运行，共同完成一项工作。

多核 CPU

多核 CPU 是把多个 CPU 集成到单个集成电路芯片中，这样的话主板的单个 socket 既可以适应这样的 CPU，也不需要去更改一些硬件结构。多核 CPU 相当于多个单核 CPU 同时工作，因此可以同时处理多个程序，达到并行的效果。

超线程

超线程（Hyper-Threading，也称之为 Simultaneous Multi-Threading），是 Intel 提出的概念，可以是单核 CPU 执行多个控制流程。超线程技术的关键点就是：当我们在处理器中执行代码时，很多时候处理器并不会使用到全部的计算能力，部分计算能力会处于空闲状态，而超线程技术会更大程度地“压榨”处理器。举个例子，如果一个线程必须要等到一些数据加载到缓存中以后才能继续执行，此时 CPU 可以切换到另一个线程去执行，而不用去处于空闲状态，等待当前线程的 IO 执行完毕。

Hyper-Threading 使操作系统认为处理器的核心数是实际核心数的2倍，因此如果有4个核心的处理器，操作系统会认为处理器有8个核心。这项技术通常会对程序有一个性能的提升，通常提升的范围大约在15%-30%之间，对于一些程序来说它的性能甚至会小于20%，其实性能是否提升这完全取决于具体的程序。比如，这2个逻辑核心都需要用到处理器的同一个组件，那么一个线程必须要等待。因此，Hyper-Threading 只是一种“欺骗”手段，对于一些程序来说，它可以更有效地利用CPU的计算能力，但是它的性能远没有真正有2个核心的处理器性能好，因此它不能替代真正有2个核心的处理器。但是同样都是2核的处理器，一个有 Hyper-Threading 技术而另一个没有，那么有这项技术的处理器在大部分情况下都要比没有的好。