Linux CPUs
CPU Architecture and Common Concepts
CPU Architecture
下图展示了一个简单的 CPU 架构图，有一个物理 CPU（Physical Processor），包含 4 个 CPU Cores，每个 CPU Core 包含 2 个 Hardware Threads，总计 8 个 CPUs。右侧的图是这 8 个 CPUs 在操作系统（Operating System）中的视图（也被称为 Logical CPU/Virtual Processor/Virtual Core） [1]
Operating System 可能对于 CPU 的拓扑结构（Topology）有一定程度的了解，如知道哪些 Logical CPU 位于同一个 CPU Core 或者 CPU Cache 是如何被共享的（Shared），这有助于 CPU Scheduler 做出更优的调度决策。
下图展示了通用 2 Core 处理器的组成。具体的组成取决于具体的处理器。
Control Unit是 CPU 处理器的核心组件，负责指令（Instruction）的Fetch、Decoding、Execution并负责保存执行结果（Storing Results）。Shared Floating-Points UnitShared Level-3 CacheMMUMemory Management Unit，负责将虚拟内存地址转换为物理内存地址（Virtual-to-Physical Address Translation）TLBTranslation Lookaside Buffer，用于 Cache 内存地址转换（Virtual-to-Physical Address Translation），未缓存的地址转换需要去 Main Memory 中的 Page Tables 中查询，MMU 的基本构成如下图
P-States and C-States
Intel 处理器的 ACPI（Advanced Configuration and Power Interface）标准定义了 P-States (Processor Performance States) 和 S-States (Processor Power States) 。 [4]
- P-States 通过在 Processor 运行过程中提供不同的 Clock Rate 提供不同的性能选择。 P0 提供最高级别的性能，P1 到 PN 提供较慢的 Clock Rate，这些级别通常可以被硬件（如依赖处理器温度）或者系统上的软件（如内核的节能策略）控制。
- C-States 提供当 CPU 处于 Idle 时，提供不同的
idle states，用于节省电力（节能），下图列出了常见的 C-States
Linux 中可以配置和管理 CPU Status 的方式包括(是否支持取决于不同的 Processor、操作系统和内核版本)：
/sys/devices/system/cpu/cpufreq/policy0/scaling_available_governors可以查看可用的 CPU Scaling Governors，一般包括performance、powersave，通过配置/sys/devices/system/cpu/cpufreq/policy0/scaling_governor为对应值。 [6]cpupower工具箱，其中包括cpupower frequency-info、cpupower frequency-set等一系列管理和查看 CPU 频率等信息的工具
CPU Memory Caches
Processors（物理 CPU 处理器）提供了各种个样的硬件缓存（Hardware Caches）用于提高 CPU 读写 Memory I/O 的性能（CPU 的处理速度是 Memory I/O 处理速度的多个量级），下图展示了 Processor Caches 在大小（Sizes）和响应速度之间的关系， 离 Processor 越近，其响应速度越快，存储空间越小，成本越高（贵）
Clock Rate
CPU 时钟频率（Clock Rate） 是指 Processor 每秒跳动（转换）的次数，每一个 Processor 的时钟变化也称为一个 Clock Cycle 。 Processor 通常是以特定的时钟频率运行，比如 4GHz 的 CPU 每秒会进行 4 Billion Clock Cycles。每个 CPU 指令（Instruction）都需要通过一个或者多个 Clock Cycles 来完成。 现代 CPU 通常会变频，即调整 Processor 的 Clock Rate，如果提高 CLock Rate 以提升性能，降低 Clock Rate 以节能 。变频操作通常是通过 OS 请求 Processor 变频或者是 Processor 自动进行变频，比如内核中的 idle 线程通常会要求 CPU 降低其 Clock Rate 以节能。
Clock Rate 是衡量 Processor 能力（Capacity）的一个主要指标。通常来说，较高 Clock Rate 的 Processor 会有更高的性能，但是在性能分析的场景中，提高 CPU 的 Clock Rate 不一定会提高 CPU 性能，这主要取决于 CPU 的 Clock Cycles 到底是在忙于什么，如果 Clock Cycles 主要忙于等待 Memory Access，那么换成更高频率的处理器，并不会提高整个系统的性能。
SMT
Simultaneous Multi-Threading(SMT) 是一种由 Processor 支持的硬件多线程（Hardware Multithreading）技术，用于实现同一个 Processor Core 上的并发（Parallelism），它允许一个 CPU Core 运行多个 Thread，每个 Hardware Thread 从 Operating System 层面来看都是一个 CPU。这种技术的典型应用包括 Intel 的 Hyper-Threading 技术，允许每个 Processor Core 运行 2 个 Threads，以及 POWER8，允许每个 Processor Core 运行 8 个 Threads。
SMT 的实现通常基于 Core 运行指令（Instructions）的过程中的 Stall Cycles，当某个指令处于 Stall Cycles 时，Core 会允许调度另一个指令来运行。基于 Hardware Thread 的 CPU，其性能和单独的 CPU Core 是有区别的，这个差别取决于其上的工作负载（Workload），Stall Cycles 严重的 Workloads 会比 Instruction Cycles 严重的 Workloads 性能更好，因为 Stall Cycles 会减少竞争（Core Contention）
