微处理器设计/基础理论
这个微芯片基础理论简要描述了微芯片的架构,使用“货物卡车类比”。
我们可以想象整个微芯片本身就是一个巨大的城市。我们还假设这个城市本身从输入端进口货物,并将货物出口到输出端。城市内部,有很多高速公路连接城市各个部分进行处理。卡车在城市之间运输货物。
第一个限制显然是送货卡车的速度。如果卡车能更快地送货,它也能在城市中运送更多货物,例如每年 200 万吨货物(以 2.0 Ghz 的速度思考)与每年 250 万吨货物相比(同样,以 2.5 Ghz 的速度思考)。这类似于 2.5 Ghz CPU 比 2.0 Ghz CPU 能处理更多数据。
但是,送货卡车在高速公路上行驶的速度是有限制的;如果司机开得太快,他可能会意外丢失一些货物,甚至可能发生事故。因此,单辆送货卡车的速度受道路安全性的限制。(以时钟速度思考)
有一些方法可以使高速公路更安全,例如将所有弯道加宽,建造护栏,使沥青更平滑,确保道路上没有碎石等,这样可以安全地提高送货卡车的最高速度。
新的制造工艺还可以让你在给定空间内放入更多晶体管,这反过来给你提供了实现许多复杂逻辑结构所需的空間。任何落在晶圆上的污染物都会损坏芯片。这也解释了为什么用于制造 CPU 的洁净室非常干净(每立方米百万分率的颗粒数量非常低)。
如果只有一辆卡车在城市中运行,待处理的货物需要等待卡车从之前的目的地返回,然后才能继续处理订单。因此,待命卡车越多,送货速度越快,从而减少等待时间。
这类似于流水线,其中处理器必须执行的不同任务被分成单独的“作业”,当一条指令从流水线的一部分移动到另一部分时,可以启动一条新的指令,而第一条指令尚未完全完成。
一条四车道公路比一条单车道公路能运送更多的卡车。如果一条车道繁忙,其他三条车道可以同时分担交通负载,以防止交通堵塞。
这类似于多核,其中每条车道代表一个内核,更多内核会导致并行处理。如果主内核的处理能力过于有限,其他辅助内核可以帮助减轻主内核的计算工作量。
一辆 2 吨卡车的载重量比一辆 1 吨卡车更大。
这类似于 64 位架构,与 32 位架构相比,它能为处理器提供更多的内存空间。(4GB 内存)与 64 位(4PB,400 万 GB)相比。
为了提高效率,仓库配备了装卸区,在那里,最受欢迎的货物会在卡车从送货回来时优先装载。
这类似于 *缓存*。访问 RAM 通常是一个(相对)缓慢的操作,因此处理器缓存越大,处理器访问 RAM 获取所需数据的频率越低。实际上,大多数现代处理器中有 3 级缓存,每一级都比上一级小得多,但速度快得多。