CPU空闲时在忙什么

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如Duarte文中所述,阻止CPU消耗太多电量的一种方法是内置更长的时钟周期(tick periods)。通过这种方式,CPU在唤醒之前需要度过更长的空闲时间,然后执行基本任务,接着再次睡眠。

　　什么是空闲任务(idle task)?

空闲任务可能听起来有点自相矛盾。关键是你要理解CPU既然通电,那么就必须时刻不停地在运转,即使他什么正事也不干。在哲学上对应的词汇就是所谓的“忙等待”(busy waiting),本质是让CPU不停地去计算某个条件,看看是否为true.

对于运行在x86芯片上的Windows来说,这个功能表现为暂停(HLT)指令,对应Windows的System Idle Process进程。Windows只有在某个CPU核心没有合适的线程可执行时,才会调用idle空闲进程去运行。如果你查看Windows系统的任务管理器,你会看到System Idle Process(系统空闲进程)大多数时候都显示一个较高的使用百分比。和进程列表中的其他进程不同,空闲进程的值越高,代表CPU的工作量越小。设计HLT指令的目的是为了尽可能地减少电量消耗,并使 CPU 进入节能模式/状态。

　　HLT的历史

HLT(暂停)指令其实有很长的历史——在第一颗8086处理器上就已经实现了,但早期操作系统并不支持它。老程序员可能会记得,曾经有一段时间,甚至连基本的 HLT 功能都总是不能按预期方式执行。回首过去的超频年代,那时候CPU有一个基本的工具(utility)叫做 Rain(雨),用来实际地增加CPU的idle空闲时间(以及提升处理过程中的散热和能耗)。随着时间的流逝,我们可以看到硬件制造厂商和软件开发者都变得越来越复杂。

这是Windows 8创新的一个方面——好吧,本质上只是尝试创新——但却产生了一些奇怪的结果。在默认情况下它允许在处理过程中有更长的间隔周期,但这也导致一些程序产生问题,如Google Chrome等程序为了更快地对用户操作进行响应,会自动将时钟频率(tick rate)设置为操作系统所允许的最小值。这个BUG在新版程序中已经修复了,但仍可能减少某些Windows 8电脑的电池续航时间。

　　一颗 Intel 8086 CPU, 1978年。确实,当时CPU是很简单的玩意儿—— 大约只有2万个晶体管.

这确实是一个可以调节时钟周期的地方,加上要支持没有基于晶体定时器的系统,使微软措手不及。在Windows8中,软件通过混合操作系统时间记录的方式来调整前端总线速度,就会导致错误的基准测试结果。这种行为在[Windows 10]中一直保持,尽管它只是一个小众的问题——在操作系统产生错误的结果你必须调整系统前端总线的时钟.

原来的那篇博客主要讨论的是桌面操作系统,race-to-idle是现代CPU架构的关键组件。AMD和英特尔每年都会发布新一代产品,还会经常推出更新,可能最高性能只提升那么一点点,但通过更好的时钟门控(clock gating)却能显著提高能量使用率并更快地进行节能模式切换.