对CPU的深入理解

工作原理

在冯·诺伊曼体系结构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。根据冯诺依曼体系，CPU的工作分为以下 5 个阶段：

1. 取指令
2. 指令译码
3. 执行指令
   - 访存取数
   - 结果写回

• 取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，程序计数器（PC） 中的数值将 自动增加 指令字的长度
• 指令译码阶段（ID，instruction decode），取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，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（规则）以及各种获取操作数（数据）的方法。
• 执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能规则。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

1.访存取数阶段（MEM，memory），根据指令需要的数据访问主存、读取操作数，CPU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。部分指令不需要访问主存，则可以跳过该阶段。

2. 结果写回阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回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。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

• 在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

cpu结构

1. 算数逻辑单元 ALU
   主要能够进行相关的逻辑运算，如：可以执行移位操作以及逻辑操作，除此之外还可以执行定点或浮点算术运算操作以及地址运算和转换等命令，是一种多功能的运算单元。
2. 各种寄存器
   则是用来暂存指令、数据和地址的。
3. 控制器
   则是主要用来对指令进行分析并且能够发出相应的控制信号

中央处理器CPU由运算器和控制器组成, 其中运算器包括算数逻辑单元(规则部分)和各种寄存器(数据部分)

CPU总线

CPU总线/内部总线 指那些与CPU直接相连的局部总线
系统总线/外部总线 指那些和各种通用的扩展槽相接的局部总线

• CPU总线是在计算机系统中最快的总线，同时也是芯片组与主板的核心。

性能衡量指标

1. 主频
   运行时钟频率，指cpu单位时间的运算次数
2. CPU的位数
   处理器能够一次性计算的浮点数的位数，通常情况下，CPU的位数越高，CPU 进行运算时候的速度就会变得越快
3. CPU的缓存指令集
   存储在CPU内部的，主要指的是能够对CPU的运算进行指导以及优化并与硬件结构相结合的程序

参考文献

百度百科–中央处理器