CPU主要包括兩個(gè)部分，即控制器、運(yùn)算器，其中還包括高速緩沖存儲(chǔ)器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。電子計(jì)算機(jī)三大核心部件就是CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備。CPU的功效主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)。

注：指令集的軟硬件層次之分：硬件指令集是硬件層次上由CPU自身提供的可執(zhí)行的指令集合。軟件指令集是指語言程序庫所提供的指令，只要安裝了該語言的程序庫，指令就可以執(zhí)行。

CPU有強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算單 元，可以在很少的時(shí)鐘周期內(nèi)完成算術(shù)計(jì)算。同時(shí)，有很大的緩存可以保存很多數(shù)據(jù)在里面。此外，還有復(fù)雜的邏輯控制單元，當(dāng)程序有多個(gè)分支的時(shí)候， 通過提供分支預(yù)測的能力來降低延了時(shí)。GPU是基于大的吞吐量設(shè)計(jì)，有很多的算術(shù)運(yùn)算單元和很少的緩存。同時(shí)GPU支持大量的線程同時(shí)運(yùn)行，如果他們需要訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)，緩存會(huì)合并這些訪問，自然會(huì)帶來延了時(shí)的問題。盡管有延了時(shí)，但是因?yàn)槠渌阈g(shù)運(yùn)算單元的數(shù)量龐大，因此能夠達(dá)到一個(gè)非常大的吞吐量的效果。

用戶態(tài)的CPU，只允許執(zhí)行指令集中的部分指令。一般而言，IO相關(guān)和把內(nèi)存保護(hù)相關(guān)的所有執(zhí)行在用戶態(tài)下都是被禁止的，此外其它一些特權(quán)指令也是被禁止的，比如用戶態(tài)下不能將PSW的模式設(shè)置控制位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)。

控制器之所以知道數(shù)據(jù)放哪里、做什么運(yùn)算(比如是做加法還是邏輯運(yùn)算?)都是由指令告訴控制器的，每個(gè)指令對應(yīng)一個(gè)基本操作，比如加法運(yùn)算對應(yīng)一個(gè)指令。例如，將兩個(gè)MDR寄存器(保存了來自內(nèi)存的兩個(gè)數(shù)據(jù))中的值拷貝到ALU中，然后根據(jù)的操作指令執(zhí)行加法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果拷貝會(huì)一個(gè)MDR寄存器中，后寫入到內(nèi)存。

關(guān)于CPU上的高速緩存

1、高速的緩存是CPU的寄存器，它們和CPU的材料相同，靠近CPU或接近CPU，訪問它們沒有時(shí)延(<1ns)。但容量很小，小于1kb。

2、寄存器之下，是CPU的高速緩存。分為L1緩存、L2緩存、L3緩存，每層速度按數(shù)量級(jí)遞減、容量也越來越大。

3、每核心都有一個(gè)自己的L1緩存。L1緩存分兩種：L1指令緩存(L1-icache)和L1數(shù)據(jù)緩存(L1-dcache)。L1指令緩存用來存放已解了碼指令，L1數(shù)據(jù)緩存用來放訪問非常頻繁的數(shù)據(jù)。

4、L2緩存用來存放近期使用過的內(nèi)存數(shù)據(jù)。更嚴(yán)格地說，存放的是很可能將來會(huì)被CPU使用的數(shù)據(jù)。

5、多數(shù)多核CPU的各核都各自擁有一個(gè)L2緩存，但也有多核共享L2緩存的設(shè)計(jì)。無論如何，L1是各核私有的(但對某核內(nèi)的多線程是共享的)。