Intel x86_64 Architecture Background 2

　　这里是在学习Intel x86_64体系架构时学习到的一些概念，记录下来以供日后参考。如果有错的地方，欢迎指正！

CPU上下文切换(context switch):

　　这个概念第一次听到对我来说是完全陌生的，但了解之后发现和老师讲的东西有很多联系。现在linux是大多基于抢占式，CPU给每个任务一定的服务时间，当时间片轮转的时候，需要把当前状态保存下来，同时加载下一个任务，这个过程叫做上下文切换。时间片轮转的方式，使得多个任务利用一个CPU执行成为可能，但是保存现场和加载现场，也带来了性能消耗。

缓存一致性协议：

　　在多核系统中，各个核的cache存储相同变量的副本，当一个处理器更新cache中该变量的副本时会造成各个核之间的缓存不一致，这就是缓存一致性问题。我们要保证在一个核的缓存更新时，其他处理器应该知道该变量已更新，即其他处理器中cache的副本也应该更新，需要使用缓存一致性协议。 

CPU处理输入输出的简要过程:

进程内存分配映射方式：

　　通过地址转换单元，让每个设备都像拥有了一块独立的DRAM。地址转换单元将虚拟地址转化为物理地址（页到页的模式）。

地址映射基本思想

页到页的映射

 

在多个操作系统同时工作下的地址映射

超线程技术：

　　尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善性能，但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因，CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取数据（总线/内存的瓶颈），其执行单元利用率会明显下降。另外就是大超线程芯片多数执行线程缺乏ILP（Instruction-Level Parallelism，指令级别并行）支持。这些都造成了CPU的性能没有得到全部的发挥。因此，Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能，让CPU可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率，即所谓“超线程（Hyper-Threading，简称“HT”）”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把一个物理内核模拟成两个逻辑内核，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高了CPU的运行速度。

　　

　　超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源，理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程，P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer（逻辑处理单元）。因此新一代的P4 HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU（整数运算单元）、FPU（浮点运算单元）、L2 Cache（二级缓存）则保持不变，这些部分是被分享的。

　　虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不像两个真正的CPU那样，每个CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。

乱序执行(Out-of-Order and Speculative Execution):　

　　处理器基本上会按照程序中书写的机器指令的顺序执行。按照书写顺序执行称为按序执行（In-Order ）。按照书写顺序执行时，如果从内存读取数据的加载指令、除法运算指令等延迟（等待结果的时间）较长的指令后面紧跟着使用该指令结果的指令，就会陷入长时间的等待。尽管这种情况无可奈何，但有时，再下一条指令并不依赖于前面那条延迟较长的指令，只要有了操作数就能执行。 

　　此时可以打乱机器指令的顺序，就算指令位于后边，只要可以执行，就先执行，这就是乱序执行（Out-of-Order）。乱序执行时，由于数据依赖性而无法立即执行的指令会被延后，因此可以减轻数据灾难的影响。