28 时间与精度：内核眼中的CPU执行

运行在2.4GHz频率下的现代英特尔x86-64 CPU，每秒可完成24亿个时钟周期。在这样的速度下，单个操作发生得太快，难以直观理解其意义。为了更好地理解CPU的内部活动，我们可以对时间进行缩放：将一个CPU周期视为人类的一天。

按此比例，1个CPU秒将代表24亿天，约合657.5万年。
2.4GHz下的1个CPU秒 ≈ 657.5万年

这种时间缩放有助于阐明每个CPU周期的独特性。即使是最小的操作（如一次简单的加法、寄存器移动或内存查找），都是纳秒级的独立且经过深思熟虑的步骤。尽管每秒会发生数十亿次操作，但每个周期在纳秒级别上都是有意为之、结构化且独立的。

在此比例下，即使是单个系统调用或中断也会成为重大事件。
系统调用涉及用户空间与内核之间的协同转换。保存上下文、切换页表、执行系统调用逻辑以及恢复执行状态，通常需要100到200个周期。中断也遵循严格的流程。当硬件中断发生时，CPU会保存关键寄存器，并通过快速硬中断处理程序将控制权转移给内核，通常会将进一步的工作推迟到软中断处理。即使在高负载下，这些转换也能可靠地发生。

系统通过快速上下文切换处理数千个任务。通过仅用数百个周期保存和恢复执行上下文，CPU和内核维持了许多操作同时进行的假象。每个上下文切换、进程调度和中断处理操作，都在CPU内部时间尺度的精度内精心编排。

内核管理CPU执行和系统活动，但仅通过CPU驱动的指令与设备通信。所有内核操作最终都是为用户空间服务，确保内核之外的进程能够可靠执行。

随着操作从CPU寄存器延伸到缓存再到主内存，延迟会增加。然而，内核和CPU在所有层级上都保持精确同步。每条指令、内存访问、上下文切换和中断都符合严格的结构，确保即使在纳秒级分辨率下，执行也能保持可预测、连贯和可靠。

内核设计不仅关乎功能，还关乎与处理器内部时间尺度的协调。在这个尺度下，每个周期都代表着有意义的动作，每个操作都为每秒数十亿次执行中的系统稳定性和意图做出贡献。

对内核而言，精度不是优化，而是系统的基础。