CPU制作

cpu组成原理

1. CPU (Central Processing Unit - 中央处理单元): CPU 是计算机的核心，负责解释和执行程序指令以及处理数据。它由几个关键部分组成，如算术逻辑单元（ALU）、寄存器、和控制单元（CU），这些都是执行计算和处理指令所必需的。
2. ALU (Arithmetic Logic Unit - 算术逻辑单元): ALU 是 CPU 的一部分，负责执行所有的算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如比较大小）。
3. Registers (寄存器): 这些是小容量的存储设备，位于 CPU 内部，用于存储立即需要的数据和指令，以便快速访问。
4. CU (Control Unit - 控制单元): 控制单元指导计算机的其他部分如何响应程序的指令。
5. MMU (Memory Management Unit - 内存管理单元): MMU 负责管理 CPU 访问主内存的过程，包括地址转换、内存保护、缓存控制等。
6. Cache (缓存): 这是一种速度非常快的内存，用来存储经常访问的数据和指令，从而减少访问主内存的次数，提高处理速度。
7. PC (Program Counter - 程序计数器): PC 是 CPU 的一个寄存器，用来存储下一个要执行的指令的地址。
8. IO Bridge (输入输出桥接器): 它是一种硬件，允许 CPU 与其他计算机组件（如内存和 I/O 设备）进行通信。
9. 内存: 通常指的是主存储或随机访问存储器（RAM），这是计算机的临时存储，用于存储运行程序和当前正在使用的数据。
10. IO 设备 (输入输出设备): 包括 USB、硬盘等设备，它们与计算机的其它部分进行数据交换。
11. USB (Universal Serial Bus - 通用串行总线): 一个外部设备接口，用于连接各种外设，如键盘、鼠标、存储设备等。
12. 硬盘: 计算机的主要存储设备，用于永久性存储数据和程序。

超线程

1. CPU: 图中的大蓝色方块代表 CPU，是执行指令和处理数据的中心处理单元。
2. ALU (Arithmetic Logic Unit - 算术逻辑单元): 在 CPU 内部，负责执行算术运算和逻辑运算。
3. Registers (寄存器): CPU 内的小存储单元，用于快速访问和存储执行指令所需的数据和地址。
4. PC (Program Counter - 程序计数器): 寄存器的一种，用来存储下一条要执行的指令的地址。
5. Thread 1, Thread 2, ..., Thread n: 这些表示不同的线程，线程是程序执行流的最小单元。在现代操作系统中，一个程序可以分为多个线程，每个线程可以独立执行。
6. Context Switch (上下文切换): 当 CPU 从执行一个线程切换到另一个线程时，它需要保存当前线程的状态（寄存器和程序计数器的内容），并加载另一个线程的状态，这个过程就是上下文切换。

超线程技术通过允许两个线程共享同一个核心的资源，但各自维护独立的线程状态（如寄存器和程序计数器），使得当一个线程等待时，另一个线程可以使用那些空闲的资源执行另一套指令。

存储器的层次结构

计算机存储层级结构

这张图描述了现代计算机存储的层级结构，从最快的寄存器到最慢的辅助存储设备。

• L0: 寄存器，它们是最快的存储，CPU 直接访问。
• L1, L2, L3: 这些是不同级别的缓存，其中 L1 是最快的缓存，L3 通常是共享缓存。
• L4: 有些系统可能还会有 L4 缓存，位于 CPU 和主内存之间。
• L5: 主内存，速度比缓存慢，但容量大。
• L6: 辅助存储，如硬盘或固态硬盘，存储大量数据，但速度最慢。

存访问时间对比

这张图比较了不同存储级别的访问时间。

• 寄存器: 访问时间少于 1 纳秒，最快的存储。
• L1 缓存: 访问时间约为 1 纳秒。
• L2 缓存: 访问时间约为 3 纳秒。
• L3 缓存: 访问时间约为 15 纳秒。
• 主内存: 访问时间约为 80 纳秒，比缓存慢，但比硬盘快。

多核 CPU 结构

这张图展示了一个多核 CPU 的内部结构。在这个例子中，CPU 有四个核心。

• 核心1和核心2：每个核心都包含自己的 ALU（算术逻辑单元）、寄存器集和程序计数器（PC）。这些是处理计算任务和执行程序指令所必需的基本组成部分。
• L1 和 L2 缓存：每个核心都有自己的 L1 和 L2 缓存，这些高速缓存是 CPU 用来临时存储数据和指令，以减少访问主内存的次数。
• L3 缓存：这通常是共享缓存，所有核心都可以访问。它比 L1 和 L2 缓存慢一些，但比主内存快得多。