1、現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)（Architecture，也譯作架構(gòu)或者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）和CPU微體系結(jié)構(gòu)（Microarchitecture，也譯作微架構(gòu)或者微結(jié)構(gòu)）
現(xiàn)代計算機的體系結(jié)構(gòu)基本都是基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，也就是“存儲程序方式”，即程序指令代碼（指令）和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中，運行時CPU從內(nèi)存中逐條取指令并執(zhí)行，指令還可以在必要時訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)。
哈佛結(jié)構(gòu)是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的一種變形，特點是將程序（指令）存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，即有兩塊獨立的內(nèi)存，一塊存放指令，一塊存放數(shù)據(jù)，但沒有脫離“存儲程序方式”這種基本的方式，因此仍然屬于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的變形或者改進。
對于程序員，即使是匯編語言甚至機器語言程序員，最多也只能涉及到內(nèi)存指令和數(shù)據(jù)這一級，計算機暴露給程序員的，只能是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)或者哈佛結(jié)構(gòu)，稱為計算機體系結(jié)構(gòu)（Architecture）。
但CPU本身是由運算器、控制器、寄存器等部件組成的硬件電路，內(nèi)存指令被取入CPU后，在CPU內(nèi)部還要經(jīng)過復雜的指令譯碼等過程，才能驅(qū)動CPU硬件電路相應部件，按照指令具體需求進行相應動作，最終完成指令執(zhí)行，這一過程是由CPU內(nèi)部的取指令、指令譯碼、部件驅(qū)動等硬件電路完成的，不同CPU差異很大，即使指令集相同的CPU也可以有不同的電路實現(xiàn)方法，這種CPU內(nèi)部硬件電路的結(jié)構(gòu)，稱為CPU的微體系結(jié)構(gòu)（Microarchitecture）。
CPU微結(jié)構(gòu)是設計CPU的核心，對于程序員而言，CPU微結(jié)構(gòu)并不暴露給程序員，最底層的程序員的極限也只能是通過CPU指令來訪問CPU，換而言之，程序員使用CPU的最小操作粒度是指令。但CPU指令在CPU內(nèi)部可能還會被解析成為更小的執(zhí)行單元，最終驅(qū)動CPU的單個硬件電路部件，也就是說，在CPU微結(jié)構(gòu)中有更小的操作粒度，例如微操作（MicroOP，μOP）或者微指令，它們都是由CPU微結(jié)構(gòu)決定的。
或者說，CPU對于程序員而言也是一個黑盒子，程序員只要按照CPU指令集，用相應的指令編寫程序（如果是高級語言，則由編譯器或者解釋器將高級語言語句最終轉(zhuǎn)換為CPU指令），并將指令程序和相應數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存（現(xiàn)代通常由操作系統(tǒng)完成）即可執(zhí)行程序，程序員只訪問到計算機體系結(jié)構(gòu)這一級，至于指令在CPU內(nèi)部是怎么進一步解析并最終執(zhí)行的，那是CPU微結(jié)構(gòu)決定的，對程序員不開放，程序員不關(guān)心，通常也不應該關(guān)心，實際也無法關(guān)心。
2、如何提高CPU的運行速度
CPU執(zhí)行一條指令，一般來說，最少也要經(jīng)過從內(nèi)存中取指令，將指令譯碼解析成微操作（μOP），微操作最終驅(qū)動硬件電路部件三個步驟（簡稱取指令、譯碼和執(zhí)行），如果執(zhí)行一條指令，要等到這三個步驟都完成后，才能執(zhí)行下一條指令，則一條指令執(zhí)行時間過長（用CPU硬件術(shù)語說就是消耗多個時鐘周期），CPU運行速度就無法得到有效提高。
如果在第一條指令譯碼時，同時取第二條指令；然后等到第一條指令執(zhí)行時，第二條指令同時譯碼，同時還取第三條指令……這樣周而復始，取指令、譯碼和執(zhí)行就可以重疊進行，就好比生產(chǎn)流水線上的工人，第一個工人對第一個產(chǎn)品加工好第一道工序后，將產(chǎn)品傳遞給第二個工人加工第二道工序，這是第一個工人可以對第二個產(chǎn)品加工第一道工序了……這樣可以避免工人不必要的空閑等待，生產(chǎn)效率就會大大提高，這一提高CPU運行速度的方法，也就稱為“流水線”，現(xiàn)代CPU均使用流水線技術(shù)。
流水線有效減少了單條指令的平均執(zhí)行時間，但指令仍然是一條條順序執(zhí)行的，實際上，很多指令是彼此不相關(guān)的，例如訪問兩組完全不同寄存器的兩條指令，它們完全可以并行執(zhí)行，執(zhí)行順序的先后并不影響最終執(zhí)行結(jié)果，對于這樣的不相關(guān)指令，完全可以設計多個執(zhí)行部件電路，直接扔到不同執(zhí)行部件中去并行執(zhí)行，稱為亂序（Out-of-order）執(zhí)行，可以進一步提高指令執(zhí)行速度。亂序執(zhí)行在現(xiàn)代CPU中廣泛應用，甚至對于有相關(guān)性的指令，也可以采用寄存器換名等手段將它們變成不相關(guān)指令，從而進行亂序執(zhí)行。
但流水線和亂序執(zhí)行都會碰到一個問題，從原理上講它們僅適用于純順序執(zhí)行的指令，一旦遇到分支，即條件跳轉(zhuǎn)指令，因為不執(zhí)行到條件跳轉(zhuǎn)指令本身，是沒法知道程序轉(zhuǎn)向何處執(zhí)行的，也就是條件跳轉(zhuǎn)指令的下一條指令在未執(zhí)行前不確定，因此無法預先取得條件跳轉(zhuǎn)指令的后續(xù)指令，這時流水線和亂序執(zhí)行都會失效，因為它們的前提是預先取得后續(xù)指令。
為了盡量解決這個問題，現(xiàn)代CPU廣泛使用“分支預測”手段，也就是預測條件跳轉(zhuǎn)指令會跳向哪個分支，然后對這個分支進行預取后續(xù)指令。分支預測的常用策略是：如果某一段時間內(nèi)某一條件跳轉(zhuǎn)都走向某一固定分支，則可以預測這條條件跳轉(zhuǎn)指令下一次很大可能也走向這一分支。
典型例子：程序中的循環(huán)結(jié)構(gòu)一般要循環(huán)多次才結(jié)束，那么在循環(huán)結(jié)束之前，判斷循環(huán)條件的條件跳轉(zhuǎn)指令顯然都是走向繼續(xù)循環(huán)分支的。
分支預測配合流水線和亂序執(zhí)行，能夠大大提高CPU的運行速度，因此現(xiàn)代CPU微結(jié)構(gòu)基本都使用這種設計。
3、分支預測帶來的問題——指令執(zhí)行的“回滾”
分支預測并不能保證100%的成功預測，一旦預測失敗，也就是最終執(zhí)行到條件跳轉(zhuǎn)指令時，發(fā)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)目標不是先前預測的分支方向，那么按照分支預測預取的后續(xù)指令實際上失效，這些指令已經(jīng)完成的工作必須“取消”掉，否則就會造成錯誤的指令執(zhí)行。
用一個程序員容易理解的比喻：分支預測的后續(xù)指令執(zhí)行，好比一個“事務”，如果分支預測是正確的，那么“事務”可以“提交”，這些后續(xù)指令就真正起作用；如果最終執(zhí)行到條件跳轉(zhuǎn)指令時發(fā)現(xiàn)分支預測是錯誤的，則“事務”必須“回滾”，即使后續(xù)指令已經(jīng)執(zhí)行了，甚至是亂序執(zhí)行了，已經(jīng)完成的工作也都必須全部“撤銷”，后續(xù)指令要看起來沒有起任何作用，重新到正確的分支取新的指令執(zhí)行。
理論上說，不管指令執(zhí)行“提交”還是“回滾”，都只與CPU微結(jié)構(gòu)相關(guān)，其過程程序員應該看不到，程序員只能看到宏觀指令按照程序流程執(zhí)行，CPU內(nèi)部對程序員仍然應該是黑盒子。
4、克服CPU運行速度與內(nèi)存訪問速度的差異——高速緩存（Cache）
目前CPU主頻已經(jīng)達到3GHz以上，普遍采用多核并行，盡管主內(nèi)存（DDR SDRAM）的主頻已經(jīng)達到2GHz—3GHz甚至更高，也無法完全滿足多核CPU運行速度的需求，因為指令執(zhí)行還是必須從內(nèi)存中取指令，如果內(nèi)存訪問速度不夠，CPU運行速度會受到內(nèi)存訪問速度的限制。
為了克服這個問題，目前采用在CPU與主內(nèi)存之間插入多級高速緩存（Cache）的方法，Cache是一種訪問速度極高的存儲器，甚至可以集成在CPU內(nèi)部，成為CPU微結(jié)構(gòu)的一部分。Cache與主內(nèi)存之間以塊為單位交換數(shù)據(jù)，塊長一般為數(shù)十字節(jié)。
當CPU需要訪問內(nèi)存，例如從內(nèi)存中取指令時，第一次需要先將相應內(nèi)存塊一次性讀入到空閑的Cache塊，CPU再直接訪問Cache塊，此時內(nèi)存訪問速度會慢一些，因為存在主內(nèi)存與Cache之間傳輸成塊數(shù)據(jù)的時間；CPU第二次訪問相同塊內(nèi)存時，即可直接訪問Cache塊，而無須訪問主內(nèi)存，內(nèi)存訪問速度會快得多。
主內(nèi)存—Cache系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)代CPU的內(nèi)存儲器系統(tǒng)，其原理與操作系統(tǒng)中的硬盤—內(nèi)存系統(tǒng)構(gòu)成虛擬內(nèi)存的原理極其相似。
5、指令執(zhí)行的“回滾”在主內(nèi)存—Cache系統(tǒng)留下的“痕跡”
如上所述，如果分支預測失敗，則分支預測預取的后續(xù)指令，哪怕已經(jīng)亂序執(zhí)行了多條指令，也必須“回滾”，指令在CPU微結(jié)構(gòu)中已經(jīng)完成的工作必須全部“撤銷”。
“撤銷”指令是容易的，指令最終完成的工作，無外乎是對寄存器或者內(nèi)存的修改，可以暫且將修改“緩存”起來，如果“撤銷”，最終不真正修改寄存器或者內(nèi)存即可。
但對于內(nèi)存讀寫指令（在CPU設計中通常稱為Load／Store指令或者LD／ST指令），以讀內(nèi)存指令為例，如果最終“提交”，就必須讀取實際的內(nèi)存地址，如果相應內(nèi)存塊還沒有被讀入到Cache塊，讀取速度就會受到影響，因此在讀內(nèi)存指令最終“提交”或者“回滾”之前，CPU微結(jié)構(gòu)一般會事先將Cache塊準備好，也就是如果相應內(nèi)存塊還沒有被讀入到Cache塊則預先讀入。
也就是說，即使分支預測失敗，已經(jīng)亂序執(zhí)行的多條預取指令中只要有讀內(nèi)存指令，就算最后被“回滾”，對廣義的CPU微結(jié)構(gòu)還是有影響的——相應內(nèi)存塊已經(jīng)讀入到了Cache塊。
而內(nèi)存塊是否已經(jīng)讀入到Cache塊，訪問速度是有一定差異的，這相當于“回滾”的讀內(nèi)存指令在CPU微結(jié)構(gòu)中留下的“痕跡”，這個“痕跡”是可以被作為“側(cè)信道”利用的。
6、Meltdown攻擊原理的通俗簡明解釋
操作系統(tǒng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)是受到CPU微結(jié)構(gòu)保護的，用戶模式的應用程序無法訪問，如果訪問是要引發(fā)CPU錯誤異常的。
構(gòu)造一個分支，先檢測讀取內(nèi)存的地址是否合法，合法就讀取相應地址內(nèi)存字節(jié)，然后根據(jù)內(nèi)存字節(jié)的值，讓內(nèi)存字節(jié)的值與映射到不同Cache塊的內(nèi)存塊對應起來，再故意讀取一下映射到不同Cache塊的內(nèi)存塊；如果訪問內(nèi)存的地址非法，例如操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)地址，直接不讀取。
顯然，這樣的分支，無論讀取合法地址還是非法地址都是不會出錯的。
用大循環(huán)執(zhí)行多次這個分支，前若干次，讀取內(nèi)存地址都是合法的，“訓練”CPU的分支預測，讓CPU微結(jié)構(gòu)認為下次也應該走向讀取內(nèi)存這一分支。
然后，突然執(zhí)行一次非法的操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)地址讀取。
按道理說，讀取內(nèi)存地址非法，應該走向不讀取這一分支，可是CPU的分支預測已經(jīng)被“訓練”成了“條件反射”，CPU稀里糊涂地預取了讀取非法地址的指令，并亂序并行執(zhí)行，只是暫時沒有“提交”，因為沒有“提交”，即使讀取非法地址內(nèi)存，也不會引發(fā)CPU異常；而且此時根據(jù)非法地址內(nèi)存字節(jié)的值，故意讀取映射到不同Cache塊內(nèi)存塊的指令，相應的Cache塊也被CPU微結(jié)構(gòu)準備好了（因為是并行亂序執(zhí)行嘛），也就是相應內(nèi)存塊已經(jīng)讀入到了Cache塊。
當然，最后CPU發(fā)現(xiàn)這次分支預測錯了，沒關(guān)系，預取的指令亂序并行執(zhí)行“回滾”，讀取非法地址的指令根本沒執(zhí)行，沒有引發(fā)CPU異常，皆大歡喜。
可是，“痕跡”卻悄悄留下了，與非法地址內(nèi)存字節(jié)值有意對應起來的內(nèi)存塊已經(jīng)讀入到了Cache塊。
用程序遍歷一下所有可能對應的內(nèi)存塊，看誰訪問速度最快，誰就很可能在Cache中，而非法地址對應的操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)字節(jié)值是有意與內(nèi)存塊對應的，原本在用戶模式下不能訪問的操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)字節(jié)值就被推算出來。
這就是所謂的“側(cè)信道泄漏”。
7、這一攻擊實質(zhì)的一句話解釋
CPU微結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息通過側(cè)信道向宏觀計算機體系結(jié)構(gòu)的泄漏。
8、一句話教訓
設計CPU追求速度快是理所當然的，但速度和安全性之間要有平衡點，微結(jié)構(gòu)無論怎樣追求高速優(yōu)化，屁股要擦干凈，不要向宏觀體系結(jié)構(gòu)泄漏內(nèi)部信息。
1965年intel創(chuàng)世人之一、時任仙童半導體公司電子工程師的戈登摩爾提出了摩爾定律，對人類的計算之路的快速進步做出了預言。過去二十年，人類在互聯(lián)網(wǎng)的帶動下，信息化發(fā)展一路狂奔。這種對速度的追求一定程度上，透支的是安全的掉隊。也許這正是一個重新定義平衡點的時刻。