CPU是什么

CPU 的全称是  Central Processing Unit ,它是你的电脑中最硬核的组件,这种说法一点不为

过。CPU 是能够让你的计算机叫 计算机 的核心组件,但是它却不能代表你的电脑,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,它嵌入在台式机、笔记本电脑或者平板电脑的主板上。通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来构建 CPU。 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ᵱ的计算,也就是说 CPU 决定了你电脑的计算能力。

CPU 实际做什么 #

CPU 的核心是从程序或应用程序获取指令并执行计算。此过程可以分为三个关键阶段:提取,解码和执行。CPU从系统的 RAM 中提取指令,然后解码该指令的实际内容,然后再由 CPU 的相关部分执行该指令。

RAM : 随机存取存储器(英语:Random Access Memory,缩写: RAM ),也叫主存,是与CPU    直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写(刷新时除外),而且速度很快,通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质

CPU 的内部结构 #

程序编译执行的过程

在这个流程中,CPU 负责的就是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: 控制单元和算术逻辑单元（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 是计算机的心脏和大脑,它和内存都是由许多晶体管组成的电子部件。它接收数据输入,执行指令并处理信息。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。

从功能来看,CPU 的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成,各部分之间通过电信号连通。

CPU 内部结构图

寄存器是中央处理器内的组成部分。它们可以用来暂存指令、数据和地址。可以将其看作是内存  的一种。根据种类的不同,一个 CPU 内部会有 20 – 100个寄存器。

控制器 负责把内存上的指令、数据读入寄存器,并根据指令的结果控制计算机

运算器 负责运算从内存中读入寄存器的数据

时钟 负责发出 CPU 开始计时的时钟信号

接下来简单解释一下内存,为什么说 CPU ᵱ要讲一下内存呢,因为内存是与 CPU 进行沟通的桥梁。

计算机所有程序的运行都是在内存中运行的,内存又被称为      ,其作用是存放 CPU 中的运算数

据,以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。只要计算机在运行中,CPU 就会把ᵱ要运算的数据调到主存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,主存的运行也决定了计算机的稳定运行。

主存通过控制芯片与 CPU 进行相连,由可读写的元素构成,每个字节(1 byte = 8 bits)都带有一个地址编号,注意是一个字节,而不是一个位。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。

程序怎么顺序执行–程序计数器 #

程序计数器(Program Counter)

是用来存储下一条指令所在单元的地址。

程序执行时,PC的初为程序第一条指令的地址,在程序执行程序时,先按程序计数器所指

出的指令地址从内存中取出一条指令,然后分析和执行该指令,同时将PC的加1指向下一条要执行的指令

我们还是以一个事例为准来详细的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由操作系统把硬盘中的程序复制到内存中, 示例中的程序是将 123 和 456 执行相加操作,并将结果输出到显示器上。由于使用机器语言ᵙ以描述,所以这是经过翻译后的结果,实际上每个指令和数据都可能分布在不同的地址上,但为了方便说   明,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后,会将程序计数

器作为设定为起始位置  0100,然后执行程序,每执行一条指令后,程序计数器的数会增加1(或者直接指向下一条指令的地址),然后,CPU       就会根据程序计数器的数,从内存中读取命令并执行,也就是说,程序计数器控制着程序的流程。

条件分支和循环机制 #

我们都学过高级语言,高级语言中的条件控制流程主要分为三种:    顺序执行、条件分支、循环判断三种,程序执行是按照地址的内容程序的执行指令。条件分支是根据条件执行任意地址的指令。循环是重复执行同一地址的指令。

程序执行的情况比较简单,每执行一条指令程序计数器的就是 + 1。

条件和循环分支会使程序计数器的指向任意的地址,这样一来,程序便可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令,或者跳转到任意指令。

下以条件分支为例来说明程序的执行过程(循环也很相似)

条件循环的执行流程

程序的开始过程和程序流程是一样的,CPU 从0100处开始执行命令,在0100和0101都是ᶲ序执行, PC 的程序+1,执行到0102地址的指令时,判断0106寄存器的数大于0,跳转(jump)到0104地址的指令,将数输出到显示器中,然后结束程序,0103 的指令被跳过了,这就和我们程序中的

判断是一样的,在不满足条件的情况下,指令会直接跳过。所以 PC 的执行过程也就没有直接+1,而是下一条指令的地址。

函数调用机制 #

接下来,我们继续介绍函数调用机制,哪怕是高级语言编写的程序,函数调用处理也是通过把程序计数 器的设定成函数的存储地址来实现的。函数执行跳转指令后,必进行返回处理,单纯的指令跳转没有意义,下是一个实现函数跳转的例子

程序调用示意图

图中将变量 a 和 b 分别赋꧊为 123 和 456 ,调用 MyFun(a,b) 方法,进行指令跳转。图中的地址是将C 语言编译成机器语言后运行时的地址,由于1行 C 程序在编译后通常会变为多行机器语言,所以图中的地址是分散的。在执行完 MyFun(a,b)指令后,程序会返回到 MyFun(a,b) 的下一条指令,CPU 继续执行下ᶎ的指令。

函数的调用和返回很重要的两个指令是   call    和   return       指令,再将函数的入口地址设定到程序计

数器之前,call  指令会把调用函数后要执行的指令地址存储在名为栈的主存内。函数处理完毕后,再通过函数的出口来执行 return 指令。return 指令的功能是把保存在栈中的地址设定到程序计数器。MyFun 函数在被调用之前,0154 地址保存在栈中,MyFun 函数处理完成后,会把0154的地址保存在程序计数器中。这个调用过程如下

函数调用中程序计数器和栈的职能

在一些高级语言的条件或者循环语句中,函数调用的处理会转换成 call 指令,函数结束后的处理则会转换成 return 指令。

CPU 指令执行过程 #

那么 CPU 是如何执行一条条的指令的呢2

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU,其工作都可以分为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 阶段是将内存中的指令读取到 CPU 中寄存器的过程,程序寄存器用于存储下一条指令所在的地址

指令译码阶段,在取指令完成后,立Ḙ进入指令译码阶段,在指令译码阶段,指令译码器按照ᶼ 定的指令格式,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以及各种获取操作数的方法。

执行指令阶段,译码完成后,就ᵱ要执行这一条指令了,此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。

访存取数阶段,根据指令的ᵱ要,有可能ᵱ要从内存中提取数据,此阶段的任务是: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,结果写回(Write Back,WB)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;