关于CPU科普，这篇说得最详细( 二 ) _CPU

ALU现在回到执行阶段。对于我们上面讨论的3种类型的指令，这将有所不同，因此我们将分别介绍每一种。
从算术指令开始，因为它们最容易理解。这些类型的指令被送入算术日志单元（ALU）进行处理。ALU是一种通常具有两个输入和控制信号并输出结果的电路。

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想象一下您在中学时期使用的基本计算器。要执行操作，请输入两个输入数字以及要执行的操作类型。计算器进行计算并输出结果。对于我们的CPU的ALU，操作类型由指令的操作码决定，控制单元会将其发送给ALU 。除了基本的算术运算之外，ALU还可以执行AND，OR，NOT和XOR之类的bitwise运算。ALU还将为控制单元输出一些有关其刚刚完成的计算的状态信息。这可能包括诸如结果是肯定的，否定的，零的还是溢出的事情。
ALU与算术运算最相关，但是它也可以用于存储器或分支指令。例如，CPU可能需要计算作为先前算术运算结果给出的内存地址。它还可能需要计算偏移量，以添加到分支指令所需的程序计数器中。诸如“如果先前的结果是否定的，则向前跳20条指令” 。

内存指令和层次结构对于内存指令，我们需要了解一个称为“ 内存层次结构”的概念。这代表了高速缓存，RAM和主存储之间的关系。当CPU接收到一条内存指令，该指令针对尚未在其寄存器本地存储的数据时，它将沿内存层次结构下降，直到找到它为止。大多数现代CPU包含三级缓存：L1，L2和L3 。CPU首先要检查的地方是L1缓存。这是三级缓存中最小和最快的。L1高速缓存通常分为用于数据的部分和用于指令的部分。请记住，指令需要像数据一样从内存中获取。
典型的L1缓存可能为数百KB 。如果CPU在L1缓存中找不到所需的内容，它将检查L2缓存。这可能约为几MB 。下一步是L3缓存，它可能是几十MB 。如果CPU在三级缓存中找不到所需的数据，它将进入RAM，最后进入主存储器。当我们沿着每一步走时，可用空间大约增加一个数量级，但是等待时间也增加。

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CPU找到数据后，它将调出层次结构，以便将来如有需要，CPU可以快速访问它。这里有很多步骤，但是可以确保CPU快速访问所需的数据。例如，CPU可以在一个或两个周期内读取其内部寄存器，在几个周期中读取L1，在十个左右周期中读取L2，在几十个周期中读取L3 。如果需要进入内存或主存储，则可能要花费数万甚至数百万个周期。根据系统的不同，每个核心可能会拥有自己的私有L1缓存，与另一个核心共享一个L2，并在四个或更多核心的组之间共享一个L3 。我们将在本文后面详细讨论多核CPU 。

分支和跳转指令三种主要指令类型中的最后一种是分支指令。现代程序始终无休止地跳来跳去，CPU很少执行没有分支的连续指令。分支指令来自诸如if语句，for循环和return语句之类的编程元素。这些都用于中断程序执行并切换到代码的不同部分。也有跳转指令，这些跳转指令是始终采用的分支指令。
条件分支对于CPU尤其棘手，因为它可能一次执行多个指令，并且可能直到分支开始执行后续指令后才能确定分支的结果。
为了完全理解为什么这是一个问题，我们需要进行另一种转移，并讨论流水线。指令周期中的每个步骤可能需要几个周期才能完成。这意味着在提取指令时，ALU否则将处于空闲状态。为了最大化CPU的效率，我们在称为流水线的过程中划分每个阶段。
理解这一点的经典方法是以洗衣服为对比。您有两个东西要洗，洗涤和干燥个需要一个小时。您可以将第一个物件放入洗衣机中，然后在烘干机中放入，等烘干之后后再开始洗第二个产品。这将花费四个小时。但是，如果您划分工作并在第一个产品干燥的同时开始第二个洗涤，则可以在三个小时内完成两个装载。一小时减少量取决于您的要洗的东西数量以及洗衣机和烘干机的数量。洗烘每个东西仍然需要两个小时，但是如果计算重叠，则将总吞吐量从0.5个产品/小时增加到0.75个产品/小时。