【计算机组成原理】CPU是什么

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原创 2023-03-13 17:11:30 1.1w 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

【计算机组成原理】知识梳理（五）中央处理器 5.1 CPU的功能和组成 1.CPU的功能指令控制（程序的顺序控制）操作控制（一条指令由若干操作信号实现）时间控制（指令各个操作实施时间的定时）数据加工（算术运算和逻辑运算） 2.CPU的基本组成中央处理器CPU=运算器+控制器运算器 ALU 累加器暂存器控制器程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、数据缓冲器(DR)、地址寄存器(AR)、通用寄存器、状态寄存器(PSW)、时序发生器、指令译码器(ID)、总线 3.CPU中的主要寄存器 DR缓冲寄. 阅读详情

CPU是什么？

CPU 的全称是 Central Processing Unit，也是电脑中最硬核的组件，它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。

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。

CPU的内部结构

以CPU的运行流程为例：
CPU的执行流程
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。
CPU的内部结构
这里简单介绍一下内存，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。

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。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

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。

汇编语言

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：
CPU寄存器的类别
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。
各种寄存器个数的区别

程序计数器

程序计数器是用来存储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。

条件分支和循环机制

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：
条件分支的执行过程
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。

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。

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。
基址寄存器和变址寄存器
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。

CPU 指令执行过程

CPU 到底是怎么一条条的执行指令的呢？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。