程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的（一）

筆者能力有限，如果文中出現(xiàn)錯誤的地方，歡迎大家給我指出來，我將不勝感激，謝謝~

CPU 和 MCU 的區(qū)別

對于嵌入式開發(fā)來講，我們在日常中接觸到概念都是 MCU ，MCU 和 CPU 的區(qū)別也就在于 MCU 集成了片上外圍器件，CPU 不帶外圍器件，一個簡單的例子就是 MCU 在芯片內(nèi)集成了 Flash 和 RAM 用來存儲程序和數(shù)據(jù)，對應(yīng)的在我們個人 PC 的體現(xiàn)就是硬盤和內(nèi)存條，因此兩者的區(qū)別只是在于外圍器件的集成與否，最本質(zhì)的工作原理兩者是互通的。

CPU 的組成部分

CPU 是由許多晶體管組成的電子部件，從功能方面上來看，CPU 內(nèi)部由寄存器，控制器，運(yùn)算器和時鐘四個部分組成，他們各自的功能如下：

• 寄存器：可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)等處理對象。

• 控制器：負(fù)責(zé)把內(nèi)存上的指令讀入寄存器，并根據(jù)指令的執(zhí)行結(jié)果來控制整個系統(tǒng)。

• 運(yùn)算器：運(yùn)算器負(fù)責(zé)運(yùn)算送入運(yùn)算器的數(shù)據(jù)

• 時鐘：負(fù)責(zé)發(fā)出 CPU 開始計時的時鐘信號，CPU 在時鐘信號的驅(qū)使下才能工作。

程序是如何被 CPU 執(zhí)行的

我們在進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)的時候，常用的一種語言是 C 語言，C 語言又被稱之為高級語言，我們編寫的高級語言在真正的進(jìn)入到 CPU 進(jìn)行執(zhí)行之前，還有很多個步驟需要完成，比較粗略的劃分是需要經(jīng)過：編譯 -> 鏈接 -> 生成可執(zhí)行文件三大步驟，比較細(xì)致地劃分就是下圖所示的過程：

根據(jù)上述流程圖我們可以知道，程序在進(jìn)入 CPU 執(zhí)行前，會得到一個可執(zhí)行程序，而這個可執(zhí)行文件內(nèi)包含的就是一系列指令和數(shù)據(jù)的集合，所以說我們編寫的程序本質(zhì)上也就是指令 + 數(shù)據(jù)的形式，既然有了能被 CPU 所識別的指令和數(shù)據(jù)，那么編寫的程序也就可以在 CPU 里運(yùn)行起來了。

CPU 的工作流程

在細(xì)致的闡述 CPU 是如何工作的，我們先來看一張 CPU 的工作流程圖，圖片如下所示：

在上述所示的圖片里，我們可以看到這樣幾個信息，在虛線框外面的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，在虛線框內(nèi)的指令寄存器，控制單元，寄存器組，邏輯運(yùn)算單元以及狀態(tài)寄存器，接下來就來闡述他們各自是怎么運(yùn)行的以及他們之間又是如何相互協(xié)調(diào)共同完成一個程序。

邏輯運(yùn)算單元和寄存器組

先從邏輯運(yùn)算單元看起，名字叫運(yùn)算單元，那顧名思義，它的功能就是運(yùn)算，既然是運(yùn)算那么就需要操作數(shù)和指令，具體如下圖所示：

上圖所示的 OP 代表的就是指令要執(zhí)行的操作，從圖中也可以看到邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)是來自寄存器組，當(dāng)然對于邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)也不總是來自寄存器組，只有在進(jìn)行簡單的運(yùn)算的時候，才會從寄存器組里取得操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算之后，那就要有結(jié)果，所以邏輯運(yùn)算單元會輸出兩個數(shù)據(jù)，一個是運(yùn)算之后的結(jié)果，一個是標(biāo)志位，這里的標(biāo)志位代表的是兩個操作數(shù)運(yùn)算之后的運(yùn)算結(jié)果是否得0，是否進(jìn)位，是否是負(fù)數(shù)，是否溢出這幾種標(biāo)志。
另一方面，寄存器組除了給邏輯運(yùn)算單元提供操作數(shù)之外，同時還充當(dāng)存儲運(yùn)算結(jié)果的功能，示意圖如下：

也就是說，寄存器組的功能除了可以給邏輯運(yùn)算單元提供操作數(shù)之外，還會存儲邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果。

邏輯運(yùn)算單元和數(shù)據(jù)存儲器

上述說到，在進(jìn)行簡單運(yùn)算的時候，邏輯運(yùn)算單元會從寄存器組中取得操作數(shù)，那在進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的時候怎么辦呢，這時候，數(shù)據(jù)存儲器就要發(fā)揮它的作用了，示意圖如下：

從上述圖片可以看到邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)一個是來自數(shù)據(jù)存儲器，一個是來自寄存器組。在往數(shù)據(jù)存儲器里取操作數(shù)的時候，需要注意的是，數(shù)據(jù)存儲器并不是 CPU 的部分，那么訪問存儲器的速度相比于訪問寄存器的速度是要慢許多的。
在闡述寄存器組的時候，我們說到寄存器組可以提供操作數(shù)，同時也能夠存儲邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果，那對于數(shù)據(jù)存儲器來說，也是一樣的，它也能夠存儲邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果。示意圖如下：

那寄存器組和數(shù)據(jù)存儲器都能夠存儲邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果，那兩者的區(qū)別是什么呢？筆者聽到的最為通俗的一個解釋就是：把邏輯運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果存儲在寄存器組中就好比我們在考試做數(shù)學(xué)填空題的時候，會得到一些中間結(jié)果，就是說這些結(jié)果并不是要填到試卷里的答案，但是是作為下一步運(yùn)算的條件，那我們就先把這個結(jié)果記錄到草稿紙上，這個草稿紙就相當(dāng)于我們的寄存器組，當(dāng)我們計算出最后的答案的時候，再將這個答案填到我們的試卷上，試卷就相當(dāng)于我們這里的數(shù)據(jù)存儲器。所以，用一句話來說，就是，寄存器組是用來存儲中間結(jié)果的，而數(shù)據(jù)存儲器是用來存儲最終結(jié)果的。

控制單元

上述我們說邏輯運(yùn)算單元的操作數(shù)來源可能是寄存器組可能是數(shù)據(jù)存儲器，運(yùn)算結(jié)果的存儲位置可能是寄存器組也可能是數(shù)據(jù)存儲器，那在實(shí)際程序運(yùn)行的時候，到底該采用哪一種方式呢，這個時候，就需要使用到控制單元來進(jìn)行協(xié)調(diào)，示意圖如下：

從上述圖片我們可以看到從控制單元往下的各個線條分別指向了各個開關(guān)，這里的空圈就代表的是一個開關(guān)節(jié)點(diǎn) ，也就是說控制器將控制開關(guān)往哪里閉合，從而決定了是往寄存器還是往數(shù)據(jù)存儲器里取得操作數(shù)。
在看圖中控制單元上面的部分，我們可以看到數(shù)據(jù)控制單元的數(shù)據(jù)來源是指令寄存器，所以說控制單元接收的是指令，那么我們也就可以總結(jié)一下控制器具備的功能，如下：

• 指令解析：分析該指令需要執(zhí)行什么操作

• 確定數(shù)據(jù)流向：確定該指令用到的操作數(shù)來源和產(chǎn)生結(jié)果的去向

獲取指令

上述講到控制單元的是從指令寄存器中獲得指令的，那么指令寄存器的指令又從何而來呢，我們回到我們最開始給出的那張示意圖：

從圖中可以看到指令是從指令存儲器中取得的，同時，我們思考程序要能夠正確的運(yùn)行，那么就需要使得指令有序的得到運(yùn)行，而不是胡亂地送到指令寄存器中，那么 CPU 又怎么保證指令能夠有序的得到運(yùn)行呢，這里就需要使用到 CPU 的 PC 指針寄存器，PC 指針寄存器的功能是存放下一條待執(zhí)行指令的地址，當(dāng)?shù)刂繁蝗〕鲋螅琍C 指針寄存器將更新，指向下一條即將執(zhí)行的指令，因此 PC 指針寄存器的存在也就保證了指令的有序執(zhí)行。

總結(jié)

上述我們把 CPU 工作涉及的部件單獨(dú)拆開進(jìn)行了闡述，現(xiàn)在我們將其整合，所以 CPU 的工作流程是根據(jù) PC 指針寄存器存儲的下一條即將執(zhí)行的指令的地址，使得指令存儲器中的指令能夠有序的進(jìn)入指令寄存器，然后，控制單元從指令寄存器中取得相應(yīng)的指令，并對其進(jìn)行指令解析，判斷當(dāng)前指令要執(zhí)行的操作，以及根據(jù)指令解析的內(nèi)容控制邏輯運(yùn)算單元操作數(shù)的來源和邏輯運(yùn)算單元運(yùn)算結(jié)果的存儲位置，從而完成指令要求 CPU 執(zhí)行的運(yùn)算。

參考資料：
[1] 學(xué)堂在線慕課課程《ARM微控制器與嵌入式系統(tǒng)》

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