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每秒2万亿次计算,CPU是如何工作的?多核处理器的核是什么?

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人一辈子都无法完成的计算量,CPU瞬间就可以算完,它到底是如何工作的呢?

CPU,即中央处理器,表面上看起来它只是一个小方块,可实际上这个小方块中有多达数百亿个晶体管,每个晶体管的大小只有7纳米。当我们要执行一个任务时,硬盘中相应的程序会被暂时提取到内存中,以方便CPU阅读。CPU无法看懂人类的语言,它能够识别的是由0和1组成的二进制代码,在CPU的世界里,任何一条信息都可以用0和1来表示,比如字母A就是01000001。如果是更复杂的信息,比如一张图片、一段音频或是一段视频,则是由几万亿、几十万亿个、甚至更多的0和1组成的。



对于CPU而言,一个任务是由无数个指令组成的,CPU每完成一个指令,都要经过一个完整的指令周期。

而一个完整的指令周期包含三个部分,第一部分是提取指令。CPU内部有一个程序计数器,它负责告诉CPU下一次待执行的指令是什么,CPU会依据程序计数器将指令从内存中提取出来,放在指令寄存器之中。接下来就到了第二部分,翻译指令。



在CPU中有一个非常复杂的模块,被称为指令译码器。

它是由大量逻辑电路构成的,CPU之所以能够看懂那串由0和1组成的代码,就是依靠这个模块,它的作用就是把放在指令寄存器之中那条由0和1组成的指令翻译成具体可执行的动作,然后就可以进入下一步了。最后一部分就是执行了,这一部分由CPU中的算数逻辑单元负责,CPU中的所有计算都是在这里进行的,所以算数逻辑单元的性能就直接决定了CPU的运算速度。单一的指令执行完了,但一个任务是由无数个指令组成的,所以执行完的指令会被存储在寄存器中,等待后续使用。所以寄存器的数量和容量就决定了CPU能够同时处理的信息多少。



三个部分加在一起就是一个完整的指令周期,经过一个完整的指令周期就处理完了一条指令,而一个CPU一秒钟能够完成多少个指令周期就意味着这个CPU的主频是多少。

比如一个CPU的主频是1G赫兹,就代表了这个CPU的内部时钟每秒跳动10亿次。如此说来,主频越高,CPU的性能就越强了?理论上的确如此,但实际上CPU的主频是不能无限提高的。



这是因为CPU在工作时会产生热量,主频越高,热量产生的速度就越快,如果主频太高,CPU则会过热。

所以目前最强大的CPU主频也不过5G赫兹,而我们家里的工作电脑,CPU主频一般只有3G赫兹左右。既然主频有上限,CPU的计算速度怎么还能越来越快呢?这就要说到多核了。其实这个概念很好理解,就是在CPU中加入多个核心,每一个核心都能够独立运行完整的指令周期,这就相当于原来一个人干的活,现在变成了好几个人一起干。



多核CPU的出现极大提升了运算性能,所以发展速度也是很快的。

感觉十几年前我们还在说双核处理器,而现在你手上的这台智能手机,处理器最少也已经是8核的了,而应用在电脑上的高端CPU更是可以达到几十核,乃至上百核。这就是为什么以前的电脑多开几个网页都会卡,现在就算是一边打游戏一边看视频也没有问题的原因了。

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