CPU明明8个核，网卡为啥拼命折腾1号核？

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前段时间分享的一篇《完了！CPU 一味求快出事了》得到了众多网友的好评，今天我们就来继续探讨 CPU 的那些事！

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CPU明明8个核，网卡为啥拼命折腾1号核？

中断机制

我是 CPU 一号车间的阿 Q，我又来了！

我们日常的工作就是不断执行代码指令，不过这看似简单的工作背后其实也并不轻松。

咱不能闷着头啥也不管一个劲的只管执行代码，还得和连接在主板上的其他单位打交道。

经常保持联系的有键盘、鼠标、磁盘，哦对，还有网卡，这家伙最近把我惹到了，待会再说这事儿。

原以为内存那家伙已经够慢的了，没想到跟上面这几位通个信比他更慢，咱 CPU 工厂的时间一刻值千金，不能干等着，耽误工夫。后来厂里一合计，想了个叫中断的办法。

在我们车间装了个大灯，这些单位想联系我们办事儿，就先给我们发一个中断信号，大灯就会自动亮起。

我们平时工作执行代码指令的时候，每执行一条指令就会瞅一眼看看大灯有没有亮起来。

一旦发现灯亮了，就把手头的工作先放一边，去处理一下。

我们记性很差的，等会处理了完了还得回来接着原来的活继续干，为了等会回来还能接的起来，走之前得把当前执行的这个线程的各个寄存器的值，执行到哪里了等等这些信息都保存在这个线程的栈里去。

不过有时候我们在执行非常重要的事情的时候，就不想被他们打断。于是我们又在车间里那个 eflags 寄存器中设置了一个标记，如果是 1 我们才允许被打断，如果是 0 那就算天王老子找我们也不管了。

哦不对，还有一种不可以屏蔽的中断 NMI，走得是绿色通道。不过我可不期望有这种事情发生，因为一般都没有好事，不是电源断电就是温度过高，或者总线出了错误等这之类严重的事情。

8259A PIC

还有一个问题，找我们办事儿的单位有很多，我们得要区分开来，到底是谁来消息了，而且要是他们一起来找，按什么样优先级顺序处理，也是一件头疼的事情。

为此，厂里单独组建了一个全资的子公司来负责这事儿，他就是可编程中断控制器 PIC，外号 8259A，其他单位想联系我们都得通过这个 PIC，我们只需要和 PIC 进行对接就可以了。

我们给办事单位都分配了一个编号，叫做中断向量。我们还准备了一个表格叫中断描述符表 IDT，表格里记录了很多信息，其中就有处理这个中断号对应的函数地址。

我们找 PIC 拿到编号后就执行处理函数就 OK 了。

这个表格有点大，足足有 256 项，咱 CPU 车间空间有限，放不下，就把它放在内存那家伙那里了，为了能快速找到这个表，专门添置了一个叫 idtr 的寄存器指向这个表格。

其实除了中断，我们在执行指令的时候如果遇到了异常情况，也会去这个表里执行异常处理函数，最常见的比如遇到了除数是 0，内存地址错误等等情况。

这种情况下，我们必须主动放下手里的活，去处理异常，所以我们也说异常是同步的，而中断不知道什么时候发生，所以是异步的。

APIC

8259A 干的挺不错的，不过后来咱们厂扩大规模，从单核 CPU 变成了多核，他就有点应付不过来了。

终于有一天，厂里召开会议，把 8259A 给撤了，成立了一个新的全资子公司叫高级可编程中断控制器 APIC，名字就多了个高级两个字，干的活还是一样的。

不过你还别说，这两个字还真不是吹嘘，比 8259A 不知道高到哪里去了。

这个 APIC 的新公司一上台，就成立了两个部门，一个叫 I/O APIC，负责接待那些要找我们办事儿的单位，一个叫 Local APIC，以外包的形式入驻到我 CPU 的各个车间工作，因为就挨着我们办公，所以取名叫 Local。

I/O APIC 收到中断信号以后，根据自己的策略就分发到对应的 Local APIC，咱们八个车间就可以专心处理了，为我们省了不少事儿。

不仅如此，通过这个外包团队，我们 8 个车间还能向彼此发起中断请求，我们把这个叫做处理器间中断 Inter-Processor Interrupt，简称 IPI。

中断亲和性

每当网络中有数据包到来，网卡那家伙就发送一个中断消息过来，告诉我们去处理。

不过最近不知道怎么回事，网络数据量激增。咱们厂里明明有 8 个车间，他非得一个劲的只给我们发消息，搞得我们手头的工作老是被打断，忙得不可开交。

终于，我忍不住了，去找网卡那家伙理论了一番。不过他告诉我，这也不能怪他，分发给谁处理，那是 APIC 在负责。

想想也是，回头我就去了 APIC 那里，要求他们分摊一点给别的车间处理。

APIC 表示这他们做不了主，得让厂里来决定。

没过几天，厂里开了个会，参会的有各车间代表、APIC 负责人，还请了操作系统那边的相关代表过来。

会上，大家为了此事争执不休。

二号车间虎子：“阿 Q，谁叫你们一号车间是 Bootstrap Processor，你们就多辛苦一点嘛”。

三号车间代表：“你这话说的不合适，大家是一个 Team，要互相帮助！要不这样，既然有这么多单位要联系我们，咱就分下工，比如一号车间负责网卡，二号负责磁盘，我们三号负责键盘，以此类推。”

五号车间代表：“你想的倒是挺美哦，键盘一天能发多少中断，网卡一天要发多少中断，你净挑轻松的干。这样吧，咱就用随机分发进行负载均衡你们觉得怎么样？”

八号车间代表：“随机个啥啊，多麻烦，依我看呐咱 8 个车间就轮流来呗。”

这时，领导问操作系统代表有没有什么建议。

这代表站起身来，推了推眼镜说到：“几位有没有听过线程的 CPU 亲和性？”

大家都摇了摇头，问到：“这是个什么意思？”

“就是有些线程想绑定在你们之中的某一个核上面执行，不希望一会儿在这个核执行，一会儿在那个核执行。”

我接过他的话：“好像是有这么回事儿，之前有遇到过，有个线程一直被分配到我们一号车间，不过我们对这个不用关心吧，执行谁不是干活啊，对我们都一个样。”

代表摇了摇头，“唉，这可不一样！你们每个核的一二级缓存都是自己在管理，要是换到别的核，这缓存多半就没用了，又得重新来建立，这换来换去的岂不是瞎耽误功夫嘛！对于一般的线程他们倒是不关心，但是有些线程执行大量的内存访问和运算处理，又对性能要求很高的话，那就很在意这个问题了。”

我们几个都恍然大悟，纷纷点头。

虎子起身问到：“那你们是如何实现这个亲和性的呢？这跟我们今天的会议又有什么关系呢？”

代表继续回答说到：“我先回答你的第一个问题。线程调度是我们操作系统完成的工作，我们提供了 API 接口，线程通过调用这些接口表明自己的亲和性意愿，我们在调度的时候就能按照他们的意愿把线程分配给你们来执行。”

代表喝了一口水接着说到：“我再回答你的第二个问题。既然线程可以有亲和性，那中断也可以按照这个思路来分发啊！APIC 默认有一套分发策略，但是也提供亲和性的设置，可以指定谁哪些核来处理，这样不用把规矩定死，灵活可变，岂不更好？”

刚说完，会议室门口突然出现一年轻少年，挥手将操作系统代表唤了出去。

接下来，我们详细讨论了这种方案的可行性，最后大家一致决定，就照这么办。

我们一起提出了一个叫中断亲和性的东西，操作系统那边提供一个可配置的入口 smp_affinity，可以通过设置各处理器核的掩码来决定中断交由谁来处理，APIC 回去负责落地支持。

有了这套方案，再遇到网络高峰期，咱们一号车间的压力就有办法缓解了。

我们刚刚达成一致，操作系统代表返回会议室，神色凝重的说到：“不好意思各位，操作系统那边有点事情需要赶回去处理一下，先走一步了。”

随着网卡的一声中断，一个新的数据包来到了这片土地。帝国网络部新来的年轻人显然没有意识到危险的到来······

太慢不能忍！CPU 又拿硬盘和网卡开刀了！

总线技术

我是 CPU 一号车间的阿 Q，最近为了一件事儿搞得我挺烦的。

当初我们 CPU 工厂刚刚来到主板上建厂时，那时候主板上的单位还不多，跟我们打交道最多的就是内存那家伙了。

后来，键盘、鼠标、硬盘、网卡、声卡、显卡等等设备纷纷入驻主板，这块土地变得越来越热闹起来。

不过，他们的到来并没有影响我们的地位，毕竟我们是中央处理器，所有人都得听我们指挥。

为了和主板上这些家伙们通信，我们花了重金铺了一条线路，主板上家家户户都连上了这条线路，我们把它叫做总线，虽然说是一条，但实际上它包含了传输数据的数据总线，传输地址的地址总线和进行控制管理的控制总线。

这样一来，各单位就能一起聊天了。不过这线路是共用的，大家不能都一起传数据，那就乱套了。

为了统一管理，我们设立了一个新的单位叫总线控制器，这个单位来统一管理总线，大家要通信就得找它申请，这就叫做总线仲裁。

不过啊，主板上的单位之间的速度还是千差万别的，像内存就比硬盘、网卡这些单位快多了（当然，跟我们 CPU 车间的工作速度那还是不能比）。

不仅如此，不同单位他们的接口还千差万别，用一套总线矛盾就日益明显了，后来就变成了多级总线，让慢的跟慢的玩，快的跟快的玩，最后大家再用一个东西把不同总线连接起来，这个东西就是桥！

主板上后来出现了两个著名的桥，一个离我们 CPU 很近的叫北桥，内存那家伙和我们通信就会经过它，另一个离我们远一点的叫南桥，那些慢一些的 I/O 设备就通过南桥接进来。

再后来，随着我们 CPU 工厂的壮大，直接把北桥收购了，现在变成了我们厂里的一个部门了。

PIO 模式

现在我们可以和这些 I/O 设备通信了，就拿硬盘来说吧，它有 I/O 端口，我们提供了 in 和 out 两条指令，就可以对它进行读写数据了。

这种通信的方式叫做可编程输入输出模型，Programming Input/Output Model，简称 PIO。

我们是整个主板上的核心，俗话说得好，能力越大，责任越大，但有时候真心觉得有点累。

随着越来越多的设备接入主板，越来越多的程序需要等待我们去执行，工作量大的压的我们喘不过气来。

尤其是随着技术进步，我们 CPU 工厂的速度越来越快，与硬盘的读写速度之间的差距越来越拉大，我们还用这种方式通信就太浪费我们的时间了。

DMA 技术

这几天，我们几个车间的 Leader 私下聚在一起讨论起这个事情来。

“阿 Q，你不觉得现在我们花了太多时间再读写硬盘上了吗，这家伙慢不是他的错，扯我们后腿这就是他的错了啊。传输一次数据，我们要执行好多次 I/O 端口读写，我们宝贵的时间都浪费在这上面了！”，二号车间的虎子一脸幽怨的说到。

“嗨，我最近也为这事发愁呢，程序越来越多，读写硬盘的时间越来越多了，尤其是那个叫 MySQL 的，老让我访问硬盘，可累死我了。”

没想到我俩都憋了一肚子苦水呢。

这时，平日里爱拍老板马屁的八号车间老大说了一句话：“你们说的问题确实存在，这工作太没技术含量了，就是个体力活嘛，要不咱给老板说说，让他外包出去吧。”

我俩一听，妙啊，要是能把这体力活外包出去，那可简直太好了，我们就可以专心做我们的专职工作了。

“你跟老板平时走得近，这事你去说吧”，我给虎子使了个眼色，一起撺掇老八去说这事。

“行，我去就我去”。

还别说，领导立马就同意了这个想法，毕竟能提高我们的工作效率，他自然是举双手欢迎。

没过多久，就成立了一个外包团队，独立出我们厂子，专门来负责这件事。

和我们 CPU 一样，他们也提供了几个寄存器，传输数据的时候，只需要设置一下这些寄存器的内容，告诉他们要传输哪里的数据，从哪到哪，长度是多少，接下来的事情我们就不用操心了，交由他们来完成。

我们就可以腾出功夫做其他事情，等数据传输完毕了，他们再用中断的方式告诉我们，我们直接去处理就好了，省去了让我们亲自去搬运的过程，真是爽的飞起！

后来，我们给这项技术也取了一个名字，叫 Direct Memory Access，直接存储器访问，简称 DMA，这个外包团队就是 DMAC，DMA 控制器。

DMA 全面开花

前几天的月总结会上，领导表扬了老八，说多亏他的建议让厂里的生产效率大大提升。早知道，当初就不撺掇老八去跟老板提建议了，我自己去。

正想着走神，突然想到了一个问题，这一次我打算抓住机会挣个表现。

“老板，这个 DMA 技术好是好，但现在只能用于硬盘哦。最近网卡那家伙数据包也挺多的，我花了好多时间去把数据包从网卡读取到内存中，又低效又没有技术含量，可不可以把这技术推广到网卡上啊？”，我起身说到。

老板点了点头，若有所思。

二号车间虎子见状也起身说到：“老板，除了硬盘和网卡，显示器也有这个需求。我经常要疲于奔波于把内存数据传输到显示器，也是劳神劳力，建议 DMA 技术也推广到显示器呢。”

老板听完，皱了皱眉头说到，“这个不同设备之间的差别还是挺大的，没法通用。难不成我们要为每个设备成立一个外包团队？这成本有点高啊···”

老板果然还是老板，还是把成本考虑在第一位。

这时，爱拍马屁的老八又说话了，“老板说的是。我倒是有个建议，这个 DMA 推广到网卡、显示器这些单位也可以，不过让他们自己掏钱来增加 DMAC，按照他们各自不同的需求来做。咱们不能当这冤大头。”

老板一听，喜形于色，大声叫好！

就这样，很快我们就把这项技术推广了出去，主板上以网卡、显示器、摄像头为首的那些个单位为了不落后于人，纷纷拥抱变化，集成了 DMAC。

我们得到了彻底的解放，再也不用做枯燥的搬运工了~

彩蛋：“阿 Q，听说了吗，最近 Linux 帝国新成立了一个公司，居然绕过我们 CPU 就能把数据从网卡写入硬盘中”。

“不可能啊，至少得经过我们拷贝一下吧”，“根本不用，他们号称是零拷贝技术”。预知后事如何，请关注后续精彩······

作者：轩辕之风

编辑：陶家龙

出处：转载自微信公众号编程技术宇宙（ID：xuanyuancoding）

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