CPU空閑時在忙什么

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　　如Duarte文中所述,阻止CPU消耗太多電量的一種方法是內置更長的時鐘周期(tick periods)。通過這種方式,CPU在喚醒之前需要度過更長的空閑時間,然后執行基本任務,接著再次睡眠。

　　什么是空閑任務(idle task)?

　　空閑任務可能聽起來有點自相矛盾。關鍵是你要理解CPU既然通電,那么就必須時刻不停地在運轉,即使他什么正事也不干。在哲學上對應的詞匯就是所謂的“忙等待”(busy waiting),本質是讓CPU不停地去計算某個條件,看看是否為true.

　　對于運行在x86芯片上的Windows來說,這個功能表現為暫停(HLT)指令,對應Windows的System Idle Process進程。Windows只有在某個CPU核心沒有合適的線程可執行時,才會調用idle空閑進程去運行。如果你查看Windows系統的任務管理器,你會看到System Idle Process(系統空閑進程)大多數時候都顯示一個較高的CPU使用百分比。和進程列表中的其他進程不同,空閑進程的值越高,代表CPU的工作量越小。設計HLT指令的目的是為了盡可能地減少電量消耗,并使 CPU 進入節能模式/狀態。

　　HLT的歷史

　　HLT(暫停)指令其實有很長的歷史——在第一顆8086處理器上就已經實現了,但早期操作系統并不支持它。老程序員可能會記得,曾經有一段時間,甚至連基本的 HLT 功能都總是不能按預期方式執行�；厥走^去的超頻年代,那時候CPU有一個基本的工具(utility)叫做 Rain(雨),用來實際地增加CPU的idle空閑時間(以及提升處理過程中的散熱和能耗)。隨著時間的流逝,我們可以看到硬件制造廠商和軟件開發者都變得越來越復雜。

　　這是Windows 8創新的一個方面——好吧,本質上只是嘗試創新——但卻產生了一些奇怪的結果。在默認情況下它允許在處理過程中有更長的間隔周期,但這也導致一些程序產生問題,如Google Chrome等程序為了更快地對用戶操作進行響應,會自動將時鐘頻率(tick rate)設置為操作系統所允許的最小值。這個BUG在新版程序中已經修復了,但仍可能減少某些Windows 8電腦的電池續航時間。

　　一顆 Intel 8086 CPU, 1978年。確實,當時CPU是很簡單的玩意兒—— 大約只有2萬個晶體管.

　　這確實是一個可以調節時鐘周期的地方,加上要支持沒有基于晶體定時器的系統,使微軟措手不及。在Windows8中,軟件通過混合操作系統時間記錄的方式來調整前端總線速度,就會導致錯誤的基準測試結果。這種行為在[Windows 10]中一直保持,盡管它只是一個小眾的問題——在操作系統產生錯誤的結果你必須調整系統前端總線的時鐘.

　　原來的那篇博客主要討論的是桌面操作系統,race-to-idle是現代CPU架構的關鍵組件。AMD和英特爾每年都會發布新一代產品,還會經常推出更新,可能最高性能只提升那么一點點,但通過更好的時鐘門控(clock gating)卻能顯著提高能量使用率并更快地進行節能模式切換.

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