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前段時(shí)間分享的一篇《完了!CPU 一味求快出事了》得到了眾多網(wǎng)友的好評(píng)，今天我們就來(lái)繼續(xù)探討 CPU 的那些事!

圖片來(lái)自 Pexels

CPU明明8個(gè)核，網(wǎng)卡為啥拼命折騰1號(hào)核?

中斷機(jī)制

我是 CPU 一號(hào)車間的阿 Q，我又來(lái)了!

我們?nèi)粘５墓ぷ骶褪遣粩鄨?zhí)行代碼指令，不過(guò)這看似簡(jiǎn)單的工作背后其實(shí)也并不輕松。

咱不能悶著頭啥也不管一個(gè)勁的只管執(zhí)行代碼，還得和連接在主板上的其他單位打交道。

經(jīng)常保持聯(lián)系的有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、磁盤(pán)，哦對(duì)，還有網(wǎng)卡，這家伙最近把我惹到了，待會(huì)再說(shuō)這事兒。

原以為內(nèi)存那家伙已經(jīng)夠慢的了，沒(méi)想到跟上面這幾位通個(gè)信比他更慢，咱 CPU 工廠的時(shí)間一刻值千金，不能干等著，耽誤工夫。后來(lái)廠里一合計(jì)，想了個(gè)叫中斷的辦法。

在我們車間裝了個(gè)大燈，這些單位想聯(lián)系我們辦事兒，就先給我們發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)，大燈就會(huì)自動(dòng)亮起。

我們平時(shí)工作執(zhí)行代碼指令的時(shí)候，每執(zhí)行一條指令就會(huì)瞅一眼看看大燈有沒(méi)有亮起來(lái)。

一旦發(fā)現(xiàn)燈亮了，就把手頭的工作先放一邊，去處理一下。

我們記性很差的，等會(huì)處理了完了還得回來(lái)接著原來(lái)的活繼續(xù)干，為了等會(huì)回來(lái)還能接的起來(lái)，走之前得把當(dāng)前執(zhí)行的這個(gè)線程的各個(gè)寄存器的值，執(zhí)行到哪里了等等這些信息都保存在這個(gè)線程的棧里去。

不過(guò)有時(shí)候我們?cè)趫?zhí)行非常重要的事情的時(shí)候，就不想被他們打斷。于是我們又在車間里那個(gè) eflags 寄存器中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)記，如果是 1 我們才允許被打斷，如果是 0 那就算天王老子找我們也不管了。

哦不對(duì)，還有一種不可以屏蔽的中斷 NMI，走得是綠色通道。不過(guò)我可不期望有這種事情發(fā)生，因?yàn)橐话愣紱](méi)有好事，不是電源斷電就是溫度過(guò)高，或者總線出了錯(cuò)誤等這之類嚴(yán)重的事情。

8259A PIC

還有一個(gè)問(wèn)題，找我們辦事兒的單位有很多，我們得要區(qū)分開(kāi)來(lái)，到底是誰(shuí)來(lái)消息了，而且要是他們一起來(lái)找，按什么樣優(yōu)先級(jí)順序處理，也是一件頭疼的事情。

為此，廠里單獨(dú)組建了一個(gè)全資的子公司來(lái)負(fù)責(zé)這事兒，他就是可編程中斷控制器 PIC，外號(hào) 8259A，其他單位想聯(lián)系我們都得通過(guò)這個(gè) PIC，我們只需要和 PIC 進(jìn)行對(duì)接就可以了。

我們給辦事單位都分配了一個(gè)編號(hào)，叫做中斷向量。我們還準(zhǔn)備了一個(gè)表格叫中斷描述符表 IDT，表格里記錄了很多信息，其中就有處理這個(gè)中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址。

我們找 PIC 拿到編號(hào)后就執(zhí)行處理函數(shù)就 OK 了。

這個(gè)表格有點(diǎn)大，足足有 256 項(xiàng)，咱 CPU 車間空間有限，放不下，就把它放在內(nèi)存那家伙那里了，為了能快速找到這個(gè)表，專門(mén)添置了一個(gè)叫 idtr 的寄存器指向這個(gè)表格。

其實(shí)除了中斷，我們?cè)趫?zhí)行指令的時(shí)候如果遇到了異常情況，也會(huì)去這個(gè)表里執(zhí)行異常處理函數(shù)，最常見(jiàn)的比如遇到了除數(shù)是 0，內(nèi)存地址錯(cuò)誤等等情況。

這種情況下，我們必須主動(dòng)放下手里的活，去處理異常，所以我們也說(shuō)異常是同步的，而中斷不知道什么時(shí)候發(fā)生，所以是異步的。

APIC

8259A 干的挺不錯(cuò)的，不過(guò)后來(lái)咱們廠擴(kuò)大規(guī)模，從單核 CPU 變成了多核，他就有點(diǎn)應(yīng)付不過(guò)來(lái)了。

終于有一天，廠里召開(kāi)會(huì)議，把 8259A 給撤了，成立了一個(gè)新的全資子公司叫高級(jí)可編程中斷控制器 APIC，名字就多了個(gè)高級(jí)兩個(gè)字，干的活還是一樣的。

不過(guò)你還別說(shuō)，這兩個(gè)字還真不是吹噓，比 8259A 不知道高到哪里去了。

這個(gè) APIC 的新公司一上臺(tái)，就成立了兩個(gè)部門(mén)，一個(gè)叫 I/O APIC，負(fù)責(zé)接待那些要找我們辦事兒的單位，一個(gè)叫 Local APIC，以外包的形式入駐到我 CPU 的各個(gè)車間工作，因?yàn)榫桶ぶ覀冝k公，所以取名叫 Local。

I/O APIC 收到中斷信號(hào)以后，根據(jù)自己的策略就分發(fā)到對(duì)應(yīng)的 Local APIC，咱們八個(gè)車間就可以專心處理了，為我們省了不少事兒。

不僅如此，通過(guò)這個(gè)外包團(tuán)隊(duì)，我們 8 個(gè)車間還能向彼此發(fā)起中斷請(qǐng)求，我們把這個(gè)叫做處理器間中斷 Inter-Processor Interrupt，簡(jiǎn)稱 IPI。

中斷親和性

每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)包到來(lái)，網(wǎng)卡那家伙就發(fā)送一個(gè)中斷消息過(guò)來(lái)，告訴我們?nèi)ヌ幚怼?/p>

不過(guò)最近不知道怎么回事，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量激增。咱們廠里明明有 8 個(gè)車間，他非得一個(gè)勁的只給我們發(fā)消息，搞得我們手頭的工作老是被打斷，忙得不可開(kāi)交。

終于，我忍不住了，去找網(wǎng)卡那家伙理論了一番。不過(guò)他告訴我，這也不能怪他，分發(fā)給誰(shuí)處理，那是 APIC 在負(fù)責(zé)。

想想也是，回頭我就去了 APIC 那里，要求他們分?jǐn)傄稽c(diǎn)給別的車間處理。

APIC 表示這他們做不了主，得讓廠里來(lái)決定。

沒(méi)過(guò)幾天，廠里開(kāi)了個(gè)會(huì)，參會(huì)的有各車間代表、APIC 負(fù)責(zé)人，還請(qǐng)了操作系統(tǒng)那邊的相關(guān)代表過(guò)來(lái)。

會(huì)上，大家為了此事?tīng)?zhēng)執(zhí)不休。

二號(hào)車間虎子：“阿 Q，誰(shuí)叫你們一號(hào)車間是 Bootstrap Processor，你們就多辛苦一點(diǎn)嘛”。

三號(hào)車間代表：“你這話說(shuō)的不合適，大家是一個(gè) Team，要互相幫助!要不這樣，既然有這么多單位要聯(lián)系我們，咱就分下工，比如一號(hào)車間負(fù)責(zé)網(wǎng)卡，二號(hào)負(fù)責(zé)磁盤(pán)，我們?nèi)?hào)負(fù)責(zé)鍵盤(pán)，以此類推。”

五號(hào)車間代表：“你想的倒是挺美哦，鍵盤(pán)一天能發(fā)多少中斷，網(wǎng)卡一天要發(fā)多少中斷，你凈挑輕松的干。這樣吧，咱就用隨機(jī)分發(fā)進(jìn)行負(fù)載均衡你們覺(jué)得怎么樣?”

八號(hào)車間代表：“隨機(jī)個(gè)啥啊，多麻煩，依我看吶咱 8 個(gè)車間就輪流來(lái)唄。”

這時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)問(wèn)操作系統(tǒng)代表有沒(méi)有什么建議。

這代表站起身來(lái)，推了推眼鏡說(shuō)到：“幾位有沒(méi)有聽(tīng)過(guò)線程的 CPU 親和性?”

大家都搖了搖頭，問(wèn)到：“這是個(gè)什么意思?”

“就是有些線程想綁定在你們之中的某一個(gè)核上面執(zhí)行，不希望一會(huì)兒在這個(gè)核執(zhí)行，一會(huì)兒在那個(gè)核執(zhí)行。”

我接過(guò)他的話：“好像是有這么回事兒，之前有遇到過(guò)，有個(gè)線程一直被分配到我們一號(hào)車間，不過(guò)我們對(duì)這個(gè)不用關(guān)心吧，執(zhí)行誰(shuí)不是干活啊，對(duì)我們都一個(gè)樣。”

代表?yè)u了搖頭，“唉，這可不一樣!你們每個(gè)核的一二級(jí)緩存都是自己在管理，要是換到別的核，這緩存多半就沒(méi)用了，又得重新來(lái)建立，這換來(lái)?yè)Q去的豈不是瞎耽誤功夫嘛!對(duì)于一般的線程他們倒是不關(guān)心，但是有些線程執(zhí)行大量的內(nèi)存訪問(wèn)和運(yùn)算處理，又對(duì)性能要求很高的話，那就很在意這個(gè)問(wèn)題了。”

我們幾個(gè)都恍然大悟，紛紛點(diǎn)頭。

虎子起身問(wèn)到：“那你們是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)親和性的呢?這跟我們今天的會(huì)議又有什么關(guān)系呢?”

代表繼續(xù)回答說(shuō)到：“我先回答你的第一個(gè)問(wèn)題。線程調(diào)度是我們操作系統(tǒng)完成的工作，我們提供了 API 接口，線程通過(guò)調(diào)用這些接口表明自己的親和性意愿，我們?cè)谡{(diào)度的時(shí)候就能按照他們的意愿把線程分配給你們來(lái)執(zhí)行。”

代表喝了一口水接著說(shuō)到：“我再回答你的第二個(gè)問(wèn)題。既然線程可以有親和性，那中斷也可以按照這個(gè)思路來(lái)分發(fā)啊!APIC 默認(rèn)有一套分發(fā)策略，但是也提供親和性的設(shè)置，可以指定誰(shuí)哪些核來(lái)處理，這樣不用把規(guī)矩定死，靈活可變，豈不更好?”

剛說(shuō)完，會(huì)議室門(mén)口突然出現(xiàn)一年輕少年，揮手將操作系統(tǒng)代表喚了出去。

接下來(lái)，我們?cè)敿?xì)討論了這種方案的可行性，最后大家一致決定，就照這么辦。

我們一起提出了一個(gè)叫中斷親和性的東西，操作系統(tǒng)那邊提供一個(gè)可配置的入口 smp_affinity，可以通過(guò)設(shè)置各處理器核的掩碼來(lái)決定中斷交由誰(shuí)來(lái)處理，APIC 回去負(fù)責(zé)落地支持。

有了這套方案，再遇到網(wǎng)絡(luò)高峰期，咱們一號(hào)車間的壓力就有辦法緩解了。

我們剛剛達(dá)成一致，操作系統(tǒng)代表返回會(huì)議室，神色凝重的說(shuō)到：“不好意思各位，操作系統(tǒng)那邊有點(diǎn)事情需要趕回去處理一下，先走一步了。”

隨著網(wǎng)卡的一聲中斷，一個(gè)新的數(shù)據(jù)包來(lái)到了這片土地。帝國(guó)網(wǎng)絡(luò)部新來(lái)的年輕人顯然沒(méi)有意識(shí)到危險(xiǎn)的到來(lái)······

太慢不能忍!CPU 又拿硬盤(pán)和網(wǎng)卡開(kāi)刀了!

總線技術(shù)

我是 CPU 一號(hào)車間的阿 Q，最近為了一件事兒搞得我挺煩的。

當(dāng)初我們 CPU 工廠剛剛來(lái)到主板上建廠時(shí)，那時(shí)候主板上的單位還不多，跟我們打交道最多的就是內(nèi)存那家伙了。

后來(lái)，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、硬盤(pán)、網(wǎng)卡、聲卡、顯卡等等設(shè)備紛紛入駐主板，這塊土地變得越來(lái)越熱鬧起來(lái)。

不過(guò)，他們的到來(lái)并沒(méi)有影響我們的地位，畢竟我們是中央處理器，所有人都得聽(tīng)我們指揮。

為了和主板上這些家伙們通信，我們花了重金鋪了一條線路，主板上家家戶戶都連上了這條線路，我們把它叫做總線，雖然說(shuō)是一條，但實(shí)際上它包含了傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線，傳輸?shù)刂返牡刂房偩€和進(jìn)行控制管理的控制總線。

這樣一來(lái)，各單位就能一起聊天了。不過(guò)這線路是共用的，大家不能都一起傳數(shù)據(jù)，那就亂套了。

為了統(tǒng)一管理，我們?cè)O(shè)立了一個(gè)新的單位叫總線控制器，這個(gè)單位來(lái)統(tǒng)一管理總線，大家要通信就得找它申請(qǐng)，這就叫做總線仲裁。

不過(guò)啊，主板上的單位之間的速度還是千差萬(wàn)別的，像內(nèi)存就比硬盤(pán)、網(wǎng)卡這些單位快多了(當(dāng)然，跟我們 CPU 車間的工作速度那還是不能比)。

不僅如此，不同單位他們的接口還千差萬(wàn)別，用一套總線矛盾就日益明顯了，后來(lái)就變成了多級(jí)總線，讓慢的跟慢的玩，快的跟快的玩，最后大家再用一個(gè)東西把不同總線連接起來(lái)，這個(gè)東西就是橋!

主板上后來(lái)出現(xiàn)了兩個(gè)著名的橋，一個(gè)離我們 CPU 很近的叫北橋，內(nèi)存那家伙和我們通信就會(huì)經(jīng)過(guò)它，另一個(gè)離我們遠(yuǎn)一點(diǎn)的叫南橋，那些慢一些的 I/O 設(shè)備就通過(guò)南橋接進(jìn)來(lái)。

再后來(lái)，隨著我們 CPU 工廠的壯大，直接把北橋收購(gòu)了，現(xiàn)在變成了我們廠里的一個(gè)部門(mén)了。

PIO 模式

現(xiàn)在我們可以和這些 I/O 設(shè)備通信了，就拿硬盤(pán)來(lái)說(shuō)吧，它有 I/O 端口，我們提供了 in 和 out 兩條指令，就可以對(duì)它進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)了。

這種通信的方式叫做可編程輸入輸出模型，Programming Input/Output Model，簡(jiǎn)稱 PIO。

我們是整個(gè)主板上的核心，俗話說(shuō)得好，能力越大，責(zé)任越大，但有時(shí)候真心覺(jué)得有點(diǎn)累。

隨著越來(lái)越多的設(shè)備接入主板，越來(lái)越多的程序需要等待我們?nèi)?zhí)行，工作量大的壓的我們喘不過(guò)氣來(lái)。

尤其是隨著技術(shù)進(jìn)步，我們 CPU 工廠的速度越來(lái)越快，與硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度之間的差距越來(lái)越拉大，我們還用這種方式通信就太浪費(fèi)我們的時(shí)間了。

DMA 技術(shù)

這幾天，我們幾個(gè)車間的 Leader 私下聚在一起討論起這個(gè)事情來(lái)。

“阿 Q，你不覺(jué)得現(xiàn)在我們花了太多時(shí)間再讀寫(xiě)硬盤(pán)上了嗎，這家伙慢不是他的錯(cuò)，扯我們后腿這就是他的錯(cuò)了啊。傳輸一次數(shù)據(jù)，我們要執(zhí)行好多次 I/O 端口讀寫(xiě)，我們寶貴的時(shí)間都浪費(fèi)在這上面了!”，二號(hào)車間的虎子一臉幽怨的說(shuō)到。

“嗨，我最近也為這事發(fā)愁呢，程序越來(lái)越多，讀寫(xiě)硬盤(pán)的時(shí)間越來(lái)越多了，尤其是那個(gè)叫 MySQL 的，老讓我訪問(wèn)硬盤(pán)，可累死我了。”

沒(méi)想到我倆都憋了一肚子苦水呢。

這時(shí)，平日里愛(ài)拍老板馬屁的八號(hào)車間老大說(shuō)了一句話：“你們說(shuō)的問(wèn)題確實(shí)存在，這工作太沒(méi)技術(shù)含量了，就是個(gè)體力活嘛，要不咱給老板說(shuō)說(shuō)，讓他外包出去吧。”

我倆一聽(tīng)，妙啊，要是能把這體力活外包出去，那可簡(jiǎn)直太好了，我們就可以專心做我們的專職工作了。

“你跟老板平時(shí)走得近，這事你去說(shuō)吧”，我給虎子使了個(gè)眼色，一起攛掇老八去說(shuō)這事。

“行，我去就我去”。

還別說(shuō)，領(lǐng)導(dǎo)立馬就同意了這個(gè)想法，畢竟能提高我們的工作效率，他自然是舉雙手歡迎。

沒(méi)過(guò)多久，就成立了一個(gè)外包團(tuán)隊(duì)，獨(dú)立出我們廠子，專門(mén)來(lái)負(fù)責(zé)這件事。

和我們 CPU 一樣，他們也提供了幾個(gè)寄存器，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，只需要設(shè)置一下這些寄存器的內(nèi)容，告訴他們要傳輸哪里的數(shù)據(jù)，從哪到哪，長(zhǎng)度是多少，接下來(lái)的事情我們就不用操心了，交由他們來(lái)完成。

我們就可以騰出功夫做其他事情，等數(shù)據(jù)傳輸完畢了，他們?cè)儆弥袛嗟姆绞礁嬖V我們，我們直接去處理就好了，省去了讓我們親自去搬運(yùn)的過(guò)程，真是爽的飛起!

后來(lái)，我們給這項(xiàng)技術(shù)也取了一個(gè)名字，叫 Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，簡(jiǎn)稱 DMA，這個(gè)外包團(tuán)隊(duì)就是 Dmac，DMA 控制器。

DMA 全面開(kāi)花

前幾天的月總結(jié)會(huì)上，領(lǐng)導(dǎo)表?yè)P(yáng)了老八，說(shuō)多虧他的建議讓廠里的生產(chǎn)效率大大提升。早知道，當(dāng)初就不攛掇老八去跟老板提建議了，我自己去。

正想著走神，突然想到了一個(gè)問(wèn)題，這一次我打算抓住機(jī)會(huì)掙個(gè)表現(xiàn)。

“老板，這個(gè) DMA 技術(shù)好是好，但現(xiàn)在只能用于硬盤(pán)哦。最近網(wǎng)卡那家伙數(shù)據(jù)包也挺多的，我花了好多時(shí)間去把數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡讀取到內(nèi)存中，又低效又沒(méi)有技術(shù)含量，可不可以把這技術(shù)推廣到網(wǎng)卡上啊?”，我起身說(shuō)到。

老板點(diǎn)了點(diǎn)頭，若有所思。

二號(hào)車間虎子見(jiàn)狀也起身說(shuō)到：“老板，除了硬盤(pán)和網(wǎng)卡，顯示器也有這個(gè)需求。我經(jīng)常要疲于奔波于把內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器，也是勞神勞力，建議 DMA 技術(shù)也推廣到顯示器呢。”

老板聽(tīng)完，皺了皺眉頭說(shuō)到，“這個(gè)不同設(shè)備之間的差別還是挺大的，沒(méi)法通用。難不成我們要為每個(gè)設(shè)備成立一個(gè)外包團(tuán)隊(duì)?這成本有點(diǎn)高啊···”

老板果然還是老板，還是把成本考慮在第一位。

這時(shí)，愛(ài)拍馬屁的老八又說(shuō)話了，“老板說(shuō)的是。我倒是有個(gè)建議，這個(gè) DMA 推廣到網(wǎng)卡、顯示器這些單位也可以，不過(guò)讓他們自己掏錢來(lái)增加 DMAC，按照他們各自不同的需求來(lái)做。咱們不能當(dāng)這冤大頭。”

老板一聽(tīng)，喜形于色，大聲叫好!