12条CPU硬核干货!最全解释!

作为一名程序员,与计算机打交道的日子不计其数。

不管你是玩硬件还是做软件,你的世界自然都少不了计算机最核心的——CPU。

01、CPU是什么?

CPU 的全称是 Central Processing Unit,

也是你的电脑中最硬核的组件。

CPU 与计算机的关系就相当于大脑和人的关系。

它是一种小型的计算机芯片,通常嵌入在电脑的主板上。

CPU的构建是通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来实现。

这些晶体管使它能够执行运行存储在系统内存中的程序所需的计算,

所以,也可以说CPU决定了你电脑的计算能力。

02、CPU 实际做什么?

CPU的工作核心是从程序或应用程序中获取指令并且执行计算。

这个过程一共有三个关键阶段:提取,解码和执行。

CPU先从系统的RAM中提取指令,随后解码该指令的实际内容,最后再由CPU的相关部分执行该指令。

03、CPU 的内部结构

刚才提到了很多CPU的重要性,那么 CPU 的内部结构是什么呢?

又是由什么组成的呢?

下图展示了一般程序的运行流程(以 C 语言为例),

一般来说,了解程序的运行流程是掌握程序运行机制的基础和前提。

“”

在这个流程中,CPU负责解释和运行最终转换成机器语言的内容。

CPU 主要由两部分构成:控制单元和算数逻辑单元(ALU)。

控制单元:从内存中提取指令并解码执行;

算数逻辑单元(ALU):处理算数和逻辑运算。

CPU和内存都是由许多晶体管组成的电子部件,可以把它比作计算机的心脏和大脑。

它能够接收数据输入,执行指令并且处理相关信息。

它与输入/输出(I / O)设备进行通信,这些设备向 CPU 发送数据和从 CPU 接收数据。

从功能上来看,CPU的内容是由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成的,各个部分之间通电信号来连通。

“”

接下来简单介绍一下内存,

为什么说 到CPU需要讲一下内存呢?

因为内存是与 CPU 进行沟通的桥梁。

计算机中所有程序的运行都在内存中得到运行的。

内存一般又被称为主存,它的作用是存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。

CPU会在计算机运转时,把需要运算的数据调到主存中进行运算。

在运算完成之后,CPU将结果传送出来,主存的运行也决定了计算机的稳定运行。

主存一般通过控制芯片与CPU相连,由可读写的元素构成,每个字节都有一个地址编号。

CPU 通过地址从主存中读取数据和指令,也可以根据地址写入数据。

注意一点:当计算机关机时,内存中的指令和数据也会被清除。

04、CPU 是寄存器的集合体

在 CPU 的四个结构中,寄存器的重要性远远高于其余三个。

为什么这么说?

因为程序通常是把寄存器作为对象来进行描述的。

而说到寄存器,就不得不说到汇编语言,说到汇编语言,就不得不说到高级语言,说起高级语言也就不得不提及语言的概念。

05、计算机语言

人和人之间最古老和直接的沟通媒介是语言。

但是和计算机沟通,就必须按照计算机指令来交换,其中就涉及到语言的问题。

最早,为了解决计算机和人类的交流的问题,出现了汇编语言。

但是汇编语言晦涩难懂,所以又出现了像是 C,C++,Java的这种高级语言。

因此,计算机语言一般分为低级语言和高级语言。

使用高级语言编写的程序,经过编译转换成机器语言后才能运行,而汇编语言经过汇编器才能转换为机器语言。

06、汇编语言

我们先来看一段采用汇编语言表示的代码清单:

mov eax, dword ptr [ebp-8] /* 把数值从内存复制到 eax */

add eax, dword ptr [ebp-0Ch] /* 把 eax 的数值和内存的数值相加 */

mov dword ptr [ebp-4], eax /* 把 eax 的数值(上一步的结果)存储在内存中*/

这是采用汇编语言编写程序的一部分。

汇编语言采用助记符来编写程序,每个原本是电信号的机器语言指令会有一个与其对应的助记符。

比如,

mov,add 分别是数据的存储(move)和相加(addition)的简写。

汇编语言和机器语言一一对应。

这点和高级语言不同,我们通常把汇编语言编写的程序转换为机器语言的这个过程,称之为汇编。

与之相反,将机器语言转化为汇编语言的过程称之为反汇编。

汇编语言可以帮助你理解计算机做了什么工作,机器语言级别的程序通过寄存器来处理,

上面代码中的eax,ebp都是表示的寄存器,它们是CPU内部寄存器的名称。

因此,可以说 CPU 是一系列寄存器的集合体。

一般,在内存中的存储通过地址编号来表示,寄存器的种类是通过名字来区分。

那些不同类型的CPU,其内部寄存器的种类、数量以及寄存器存储的数值范围也都是不同的。

不过,根据功能的不同,我们可以将寄存器划分为下面几类:

“”

其中,程序计数器、标志寄存器、累加寄存器、指令寄存器和栈寄存器只有一个,其他寄存器一般有好几个。

“”

07、程序计数器

程序计数器是用来存储吓下一条指令所在单元的地址。

程序在执行时,PC的初值作为程序第一条指令的地址,在顺序执行程序时,

控制器先按照程序计数器所指出的指令地址,从内存中取出一条指令,

随后分析和执行该指令,并同时将PC的值加1指向下一条要执行的指令。

我们可以通过一个事例来仔细看一下程序计数器的执行过程:

“”

这是一段进行相加的操作,程序启动,在经过编译解析后,会经由操作系统把硬盘中的程序复制到内存中。

以上示例程序,就是将123和456执行相加的操作,随后将结果输出到显示器上。

因为使用机器语言很难描述,所以这些都是经过翻译后的结果。

事实上,每个指令和数据都有可能分布在不同的地址上,但是为了更好的说明,就把组成一条指令的内存和数据放在了一个内存地址上。

地址0100是程序运行的起始位置,

Windows等操作系统把程序从硬盘复制到内存以后,

就会将程序计数器作为设定为起始位置0100,

然后再执行程序,每次执行一条指令后,程序计数器的数值就会增加1,或者是直接指向下一条指令的地址。

随后,CPU会根据程序计数器的数值,从内存中读取命令并且执行,

换言之,程序计数器控制着程序的流程。

“”

08、条件分支和循环机制

小伙伴们都学过高级语言,高级语言汇总的条件控制流程主要分为顺序执行、条件分支、循环判断三种。

顺序执行是按照地址的内容顺序的执行命令。

而条件分支则是根据条件执行任意地址的指令。

循环则是重复执行同一地址的指令。

一般情况下,顺序执行的情况较简单,每次执行一条指令程序计数器的值就是+1。

条件和循环分支会使得程序计数器的值指向任意的地址,

这样一来,程序就可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令,或者跳转到其它任意指令。

下面,我们就以条件分支举例来说明程序的执行过程:

“”

程序的开始过程和顺序流程是一样的,

程序的顺序流程和开始过程相同。

CPU从0100处就开始执行命令,在0100和0101中都是顺序执行,PC的值顺序+1,执行到0102地址的指令时,

判断0106寄存器的数值大于0,跳转到0104地址的指令,再将数值输到显示器中,随后结束程序,0103的指令就被跳过了。

这和我们程序中的if()判断相同,在不满足条件的情况下,指令一般会直接跳过。

因此,PC的执行过程没有直接+1,而是下一条指令的地址。

09、标志寄存器

条件和循环分支会使用到 jump(跳转指令),

会根据当前的指令来判断是否跳转,上面我们提到了标志寄存器,

无论当前累加寄存器的运算结果是正数、负数还是零,标志寄存器都会将其保存。

CPU 在进行运算时,标志寄存器的数值会根据当前运算的结果自动设定,运算结果的正、负和零三种状态由标志寄存器的三个位表示。

标志寄存器的第一个字节位、第二个字节位、第三个字节位各自的结果都为1时,分别代表着正数、零和负数。

“”

CPU 的执行机制比较有意思,假设累加寄存器中存储的 XXX 和通用寄存器中存储的 YYY 做比较,执行比较的背后,CPU 的运算机制就会做减法运算。

而无论减法运算的结果是正数、零还是负数,都会保存到标志寄存器中。

结果为正表示 XXX 比 YYY 大,结果为零表示 XXX 和 YYY 相等,结果为负表示 XXX 比 YYY 小。

程序比较的指令,实际上是在 CPU 内部做减法运算。

10、通过地址和索引实现数组

接下来是基址寄存器和变址寄存器,通过这两个寄存器,可以对主存上的特定区域进行划分,以此实现类似数组的操作。

首先,可以用十六进制数将计算机内存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址划分出来。

这样,凡是该范围的内存地址,只要有一个 32 位的寄存器,就可以查看全部地址。

但是,要是想像数组那样,分割特定的内存区域以达到连续查看的目的的话,使用两个寄存器会更方便一些。

比如,我们用两个寄存器来表示内存的值。

“”

这种表示方式很像数组的构造,数组是指同样长度的数据,在内存中进行连续排列的数据构造。

用数组名表示数组全部的值,通过索引来区分数组的各个数据元素,

例如: a[0] - a[4],[]内的 0 - 4 就是数组的下标。

12、CPU 指令执行过程

那说了这么多,CPU 到底是怎么一条条的执行指令的呢?

几乎全部的冯·诺伊曼型计算机的CPU,

工作都可以分为5个阶段:取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

取指令阶段就是将内存中的指令读取到CPU中寄存器的过程,程序起存起用语存储下一条指令所在的地址;

在取指令完成后,立马进入指令译码阶段,

在指令译码阶段,指令编码器按照预先的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类别和各种获取操作数的方法;

执行指令阶段的任务是完成指令所规定的各种操作,具体实现指令的功能;

访问取数阶段的任务是:根据指令地址码,得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算;

结果写回阶段作为最后一个阶段,把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式:结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中,以便被后续的指令快速地存取。

以上就是围绕CPU分享的12个内容,希望对小伙伴们有用~

本文转载自:老九学堂
免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:cathy@eetrend.com)。

点击这里,获取更多关于应用和技术的有关信息
点击这里,获取更多工程师博客的有关信息

推荐阅读