CPU閑著沒(méi)事干的時(shí)候在做什么？

相信我們很多朋友會(huì)奇怪，CPU閑著的時(shí)候到底在干什么呢？以下我們來(lái)詳細(xì)討論一下CPU閑著的時(shí)候到底在干嘛。

CPU在絕大部分時(shí)間是什么都不干的。大多數(shù)技術(shù)專家都知道這個(gè)事實(shí)，但對(duì)于CPU是如何從空閑狀態(tài)切換到工作狀態(tài)，忙完后又回到空閑狀態(tài)的相應(yīng)機(jī)制，我們大多人或許不太了解。

對(duì)現(xiàn)代處理器來(lái)說(shuō)，這種機(jī)制變得越來(lái)越重要。今天大部分芯片設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)是將處理器盡快地切換到低功率狀態(tài)。

Gustavo Duarte寫的一篇詳細(xì)文章指出，CPU空閑時(shí)并不是什么都不干，而是在運(yùn)行空閑任務(wù)(idle tasks)。

CPU整體設(shè)計(jì)就是完成當(dāng)前操作后盡可能快速地返回到空閑狀態(tài)，但系統(tǒng)必須要有某種方法/方式來(lái)喚醒芯片，讓它去關(guān)注其他某些東西。

其中的一種方式是使用系統(tǒng)計(jì)時(shí)器(system timer)。

阻止CPU消耗太多電量的一種方法是內(nèi)置更長(zhǎng)的時(shí)鐘周期(tick periods)。通過(guò)這種方式，CPU在喚醒之前需要度過(guò)更長(zhǎng)的空閑時(shí)間，然后執(zhí)行基本任務(wù)，接著再次睡眠。

什么是空閑任務(wù)(idle task)?

空閑任務(wù)可能聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)自相矛盾，關(guān)鍵是你要理解CPU既然通電，那么就必須時(shí)刻不停地在運(yùn)轉(zhuǎn)，即使他什么正事也不干。

在哲學(xué)上對(duì)應(yīng)的詞匯就是所謂的“忙等待”(busy waiting)，本質(zhì)是讓CPU不停地去計(jì)算某個(gè)條件，看看是否為true。

對(duì)于運(yùn)行在x86芯片上的Windows來(lái)說(shuō)，這個(gè)功能表現(xiàn)為暫停(HLT)指令，對(duì)應(yīng)Windows的System Idle Process進(jìn)程。

Windows只有在某個(gè)CPU核心沒(méi)有合適的線程可執(zhí)行時(shí)，才會(huì)調(diào)用idle空閑進(jìn)程去運(yùn)行。

如果你查看Windows系統(tǒng)的任務(wù)管理器，你會(huì)看到System Idle Process(系統(tǒng)空閑進(jìn)程)大多數(shù)時(shí)候都顯示一個(gè)較高的CPU使用百分比。和進(jìn)程列表中的其他進(jìn)程不同，空閑進(jìn)程的值越高，代表CPU的工作量越小。

設(shè)計(jì)HLT指令的目的是為了盡可能地減少電量消耗，并使CPU進(jìn)入節(jié)能模式/狀態(tài)。

HLT的歷史

HLT(暫停)指令其實(shí)有很長(zhǎng)的歷史，在第一顆8086處理器上就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，但早期操作系統(tǒng)并不支持它。老程序員可能會(huì)記得，曾經(jīng)有一段時(shí)間，甚至連基本的HLT功能都總是不能按預(yù)期方式執(zhí)行。

回首過(guò)去的超頻年代，那時(shí)候CPU有一個(gè)基本的工具叫做Rain(雨)，用來(lái)增加CPU的空閑時(shí)間(以及提升處理過(guò)程中的散熱和能耗)。隨著時(shí)間的流逝，我們可以看到硬件制造廠商和軟件開(kāi)發(fā)者都變得越來(lái)越復(fù)雜。

這是Windows 8創(chuàng)新的一個(gè)方面——好吧，本質(zhì)上只是嘗試創(chuàng)新——但卻產(chǎn)生了一些奇怪的結(jié)果。在默認(rèn)情況下它允許在處理過(guò)程中有更長(zhǎng)的間隔周期，但這也導(dǎo)致一些程序產(chǎn)生問(wèn)題，如Google Chrome等程序?yàn)榱烁斓貙?duì)用戶操作進(jìn)行響應(yīng)，會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘頻率(tick rate)設(shè)置為操作系統(tǒng)所允許的最小值。

這個(gè)BUG在新版程序中已經(jīng)修復(fù)了，但仍可能減少某些Windows 8電腦的電池續(xù)航時(shí)間。

一顆Intel 8086 CPU，1978年。確實(shí)，當(dāng)時(shí)CPU是很簡(jiǎn)單的玩意兒，大約只有2萬(wàn)個(gè)晶體管.

這確實(shí)是一個(gè)可以調(diào)節(jié)時(shí)鐘周期的地方，加上要支持沒(méi)有基于晶體定時(shí)器的系統(tǒng)，使微軟措手不及。在Windows8中，軟件通過(guò)混合操作系統(tǒng)時(shí)間記錄的方式來(lái)調(diào)整前端總線速度，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

這種行為在Windows 10中一直保持，盡管它只是一個(gè)小眾的問(wèn)題——在操作系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果你必須調(diào)整系統(tǒng)前端總線的時(shí)鐘.

原來(lái)的那篇博客主要討論的是桌面操作系統(tǒng)，race-to-idle是現(xiàn)代CPU架構(gòu)的關(guān)鍵組件。AMD和Intel基本每年都會(huì)發(fā)布新一代產(chǎn)品，還會(huì)經(jīng)常推出更新，可能最高性能只提升那么一點(diǎn)點(diǎn)，但通過(guò)更好的時(shí)鐘門控(clock gating)卻能顯著提高能量使用率，并更快地進(jìn)行節(jié)能模式切換。