问题

将 CPU 主频性能降到极低还能正常运行各种操作系统么?如果不能,会有哪些问题?

回答
想象一下,给一台跑得飞快的跑车装上一个能慢悠悠推着玩具车的发动机。这大致就是把 CPU 主频降到极低后,操作系统会遇到的情况。

确实,从纯粹的“还能运行”的角度来看,绝大多数现代操作系统,比如 Windows、macOS,甚至是一些 Linux 发行版,在极低的主频下也能勉强启动并进入桌面环境。它们被设计成能够适应各种硬件配置,包括那些性能非常有限的设备。操作系统的核心指令集、基本的调度算法、内存管理等,理论上都能在足够慢的时钟周期下完成。

然而,“勉强运行”和“正常运行”之间有着天壤之别。当 CPU 主频被大幅削减,就好比把我们脑子里想事情的速度,从光速降到了蜗牛爬行。这带来的问题是全方位的,而且会迅速蔓延到你使用的每一个环节。

首先,响应速度会慢到令人发指。你点击一个图标,可能需要等待几秒钟甚至几十秒钟,屏幕才会出现丝毫的响应。打开一个文件夹,就像是在等待一次漫长的旅程。每一次的系统操作,从简单的文件复制到运行一个简单的程序,都需要 CPU 不断地进行计算和指令执行,而极低的主频意味着每个指令的完成都需要等待漫长的时间。这不仅仅是“卡顿”,而是近乎“静止”的体验。

其次,多任务处理将成为一种奢望。现代操作系统的一大核心功能就是能够同时运行多个程序,例如一边听音乐,一边浏览网页,或者一边下载文件,一边处理文档。这是通过快速地在各个任务之间切换来实现的,CPU 就像一个灵巧的魔术师,在不同任务之间瞬移。但如果 CPU 主频低到极点,这种切换变得极其缓慢,甚至不可能。当一个程序占用了一些 CPU 时间时,其他程序可能就需要漫长地等待,导致整个系统变得异常迟钝,甚至出现假死。多个进程之间的通信、调度、状态保存和恢复,都需要 CPU 的参与,低主频下这些都会成为瓶颈。

接着,图形界面和用户体验将严重受损。我们今天所熟知的图形操作系统,其流畅的动画效果、窗口的拖拽、视频的播放,都依赖于 CPU 强大的计算能力来渲染和处理。在低主频下,这些视觉上的元素会变得非常不流畅,甚至根本无法正常显示。视频播放可能会变成断断续续的画面,甚至直接无法播放。鼠标指针的移动可能会出现明显的拖影,点击按钮也可能要等半天才有反应。操作系统本身的许多背景服务,如磁盘整理、病毒扫描、系统更新等,也需要 CPU 的计算资源,低主频下它们可能会拖慢整个系统的速度,甚至因为无法及时完成任务而引发错误。

更深层次的问题还会体现在程序的兼容性和稳定性上。许多应用程序,特别是那些设计时就考虑了现代处理器的性能,它们在启动、加载、执行过程中会发送大量的指令,并依赖于 CPU 的快速响应。当 CPU 的速度远低于程序的预期时,程序可能会因为超时而崩溃,或者进入一种不稳定的状态。一些对时间敏感的任务,比如音频或视频的实时处理,更是无法在极低主频下进行。即使操作系统本身能够运行,但很多必要的系统服务和进程,它们在设计时也预设了一定的运行速度,当这个速度大幅降低,它们也可能因为无法及时完成必要的工作而出现错误,最终导致系统不稳定甚至崩溃。

此外,功耗和散热的设计也会受到影响。虽然低主频通常意味着更低的功耗,但很多现代CPU为了达到一定的性能,其内部设计和调度算法都与高主频息息相关。将主频强制降到极低,可能会破坏CPU内部的一些预设逻辑,使得CPU无法有效地进入低功耗状态,反而可能因为持续的低效率工作而产生意想不到的发热问题,或者因为无法及时完成任务而被系统频繁唤醒,进一步降低效率。

总而言之,将 CPU 主频降到极低,虽然理论上某些操作系统能够“启动”,但它带来的将是一种难以忍受的缓慢、卡顿、无响应的体验,并且极易导致程序错误、系统崩溃,使得计算机失去了作为现代生产力工具的意义,更别提“正常运行”了。它会把一台功能齐全的电脑,变成一个只能勉强闪烁屏幕的“概念模型”。

网友意见

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答案当然是可以,只不过需要进行多处适配,这些坑就是由BSP工程师来踩。

下面就由高到低介绍下不同等效主频下启动linux的效果。

1. 24MHz

几个月前,我抽空从零开始diy了一块简单的cortex-a8水果派(

基于Cortex-A8内核的荔枝Pi_Cortex-A8开发板-打造工程师的专属众筹平台-电子发烧友网

荔枝派概览 - [ Lichee Pi 荔枝派 全流程指南 ] - 看云

),从板级硬件设计,产测,到boot适配,linux,安卓适配等的坑都踩了一遍。

过程中为了调试DDR以及测试在低主频下的功耗情况,就曾把ddr时钟和主频降到了最低的24M.

在24M ddr时钟下我甚至成功用入门级100M带宽示波器生成了眼图…

实测效果是,基本不用做太多适配,系统就能起来,只是速度慢了很多,原本在1g主频下20s不到启动的,现在需要超过五分钟(具体时间忘了,记得的另一个数据是96M时需要122s),而且由于时钟太慢,800*480的屏幕刷新不过来,出现了严重的图像的弹跳/抖动现象,已经无法保证屏幕时序了…不过估计在128*64的点阵屏上还可以 逃(

其实这个感觉有点像关掉icache/dcache的效果,关掉之后连串口终端的回显都不利索了…

看上去在24M时结果并没有什么特别的,只是简单的慢了小几十倍而已…其实这基本就是286的主频了,当年286跑dos不就很流畅吗?

为啥是24M,不能更低了吗?因为我用的芯片的外置晶振就是24M,主频是由它倍频上去,而无法分频…

2. 10KHz

相比前面的降两个数量级,这次直接降三个数量级看看,某些童鞋应该已经猜到这个等效主频是什么情况下的了:

Linux on an 8-bit micro?

对的,就是在本身主频只有24M的八位avr单片机上跑arm模拟器来启动linux,得到的等效主频不到10KHz,看看作者自己的评价:

uARM is certainly no speed demon. It takes about 2 hours to boot to bash prompt ("init=/bin/bash" kernel command line). Then 4 more hours to boot up the entire Ubuntu ("exec init" and then login). Starting X takes a lot longer. The effective emulated CPU speed is about 6.5KHz, which is on par with what you'd expect emulating a 32-bit CPU & MMU on a measly 8-bit micro. Curiously enough, once booted, the system is somewhat usable. You can type a command and get a reply within a minute. That is to say that you can, in fact, use it. I used it to day to format an SD card, for example.

作者博客里还有一些在单片机上写的模拟器,也挺有意思,可以看看。

所以到此我们对于电脑卡有了新的理解,也可以了解到做好系统适配,再慢的u都能跑起来。

因此再看题主的问题就不会觉得有什么奇怪的了。

3. <5Hz

再次降三个数量级,直接到题主的目标频率。

这个是我参考前面的数据估算的等效主频,权当yy吧。

多数人都知道32/64位cpu,了解dos时代的16位cpu,听过八位的单片机,少数人也许也知道更低成本的四位单片机(只能用汇编编程),但要实现数Hz的等效主频,这些都还太快…

其实在dos时代,工控领域还活跃着一朵奇葩: 一位机,以MC14500B为代表。

MC14500B - Wiki

自身主频是100KHz,再加上只有八位机八分之一的带宽,如果在这个一位机上跑avr模拟器,再跑arm模拟器,那等效主频绝对在5Hz以内。

真跑起来的话,可能就需要小半年才跑到init,快一年到login,若干年来startx...

4. mHz

编不下去了…mHz的话,应该MC的红石电路可以吧!那时可能要用一辈子去看linux启动了…

当然不跑模拟器的话,也许能跑到和一位机比肩的速度呢!

5.

其实计算机的发展就是从最开始几十Hz的继电器开始的,把我的答案倒回去看就是计算机发展史啊!

在这个多数人认为是大开脑洞的问题下,却正是半个多世纪前科学家们实际面临的问题,阿波罗登月时代的常规内存甚至不到1KB,就靠这种容量和主频的数字系统(这时都没有真正意义上的cpu),却能够完成登月任务。相比而言,现在程序员们做的压力测试是不是弱爆了…

所以那个时代的程序员多数可以被称为计算机科学家,而现在的程序员多数只能被称为程序员吧 逃 (

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脑洞风的问题回答很受知乎欢迎呢,被编辑推荐破两百赞了~

就像评论里说的,我不是大V,而是个实战派的自由职业者,不会有太多时间答题,但实战干货还是挺多的,基本上想得到的产品我都能实现。

我也没有时间整个微信公众号什么的,这里就不放二维码了 /斜眼笑

不过业余时间我还是抽空搞了个开源的荔枝派,想交流 嵌入式、IC设计、射频、工业设计、前后端、DL/RL、EA、天文、军工、Lowifi等的朋友可以来本人大水群 荔枝派DIY交流群573832310 来水水。

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