CPU

中央处理器 （英语：Central Processing Unit，缩写：CPU）是计算机的主要设备之一，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

在此讨论的是遵循普遍的冯·诺伊曼结构（von Neumann architecture）设计的设备，冯·诺伊曼结构与存储程序型电脑是互相通用的名词。

差不多所有的冯·诺伊曼CPU的运作原理可分为四个阶段：提取、解码、执行和写回。

组成

计算器、控制器、存储器、I/O

流水线

在计算机发展早期，处理器和主内存之间运行速度的差别变得越来越大。在这些因素促使下，出现了一系列新技术，使处理器的指令得以流水执行，同时降低处理器访问内存的次数。

CPU 流水线指的是将 CPU 执行分为几个步骤，并且每个时钟时序每个步骤都在工作，相当于并行同时执行 n 条指令，n 为流水线步数

特点：

• 流水线并不会提高单条指令的执行速度，但是可以增加整体的吞吐量
• 流水线的速度本身会被最慢的那个步骤所限制
• 每个流水线步骤之间的执行速度相差很多/不够平均，那么反而会减慢整体指令执行速度
• 流水线步骤越多，这个“填满/放掉”的过程会越长。

性能指标

• CPI:执行每条指令所需要的平均时钟周期
• IPS：每秒能执行的指令数
  • 不同机器的指令集不同
  • 程序由不同的指令混合而成
  • 指令使用的频度动态变化
• MIPS：每秒能执行的n百万指令数
  • 因为每条指令执行时间不同，所以MIPS总是一个平均值
• FLOPS：每秒的浮点运算次数
  • 与机器相关性大
  • 并不是程序中花时间的部分
• MLOPS：每秒的百万浮点运算次数
• cycle（时钟周期）:1/主频
  • kHz 10³
  • MHz 10⁶
  • GHz 10⁹
  • THz 10¹²

总结

1. 一般的，程序的响应时间=CPU时间+等待时间，CPU时间又分成用户CPU时间和系统CPU时间。
2. 因为操作系统对自己所花费的时间进行测量时，不十分准确，所以，对CPU性能的测算一般通过测算用户CPU时间来进行。