12條CPU硬核干貨！最全解釋！

作為一名程序員，與計算機打交道的日子不計其數(shù)。

不管你是玩硬件還是做軟件，你的世界自然都少不了計算機最核心的——CPU。

CPU 的全稱是 Central Processing Unit，

也是你的電腦中最硬核的組件。

CPU 與計算機的關(guān)系就相當(dāng)于大腦和人的關(guān)系。

它是一種小型的計算機芯片，通常嵌入在電腦的主板上。

CPU的構(gòu)建是通過在單個計算機芯片上放置數(shù)十億個微型晶體管來實現(xiàn)。

這些晶體管使它能夠執(zhí)行運行存儲在系統(tǒng)內(nèi)存中的程序所需的計算，

所以，也可以說CPU決定了你電腦的計算能力。

CPU的工作核心是從程序或應(yīng)用程序中獲取指令并且執(zhí)行計算。

這個過程一共有三個關(guān)鍵階段：提取，解碼和執(zhí)行。

CPU先從系統(tǒng)的RAM中提取指令，隨后解碼該指令的實際內(nèi)容，最后再由CPU的相關(guān)部分執(zhí)行該指令。

剛才提到了很多CPU的重要性，那么 CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么呢？

又是由什么組成的呢？

下圖展示了一般程序的運行流程（以 C 語言為例），

一般來說，了解程序的運行流程是掌握程序運行機制的基礎(chǔ)和前提。

在這個流程中，CPU負責(zé)解釋和運行最終轉(zhuǎn)換成機器語言的內(nèi)容。

CPU 主要由兩部分構(gòu)成：控制單元和算數(shù)邏輯單元（ALU）。

控制單元：從內(nèi)存中提取指令并解碼執(zhí)行；

算數(shù)邏輯單元（ALU）：處理算數(shù)和邏輯運算。

CPU和內(nèi)存都是由許多晶體管組成的電子部件，可以把它比作計算機的心臟和大腦。

它能夠接收數(shù)據(jù)輸入，執(zhí)行指令并且處理相關(guān)信息。

它與輸入/輸出（I / O）設(shè)備進行通信，這些設(shè)備向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)和從 CPU 接收數(shù)據(jù)。

從功能上來看，CPU的內(nèi)容是由寄存器、控制器、運算器和時鐘四部分組成的，各個部分之間通電信號來連通。

接下來簡單介紹一下內(nèi)存，

為什么說 到CPU需要講一下內(nèi)存呢？

因為內(nèi)存是與 CPU 進行溝通的橋梁。

計算機中所有程序的運行都在內(nèi)存中得到運行的。

內(nèi)存一般又被稱為主存，它的作用是存放CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲設(shè)備交換的數(shù)據(jù)。

CPU會在計算機運轉(zhuǎn)時，把需要運算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進行運算。

在運算完成之后，CPU將結(jié)果傳送出來，主存的運行也決定了計算機的穩(wěn)定運行。

主存一般通過控制芯片與CPU相連，由可讀寫的元素構(gòu)成，每個字節(jié)都有一個地址編號。

CPU 通過地址從主存中讀取數(shù)據(jù)和指令，也可以根據(jù)地址寫入數(shù)據(jù)。

注意一點：當(dāng)計算機關(guān)機時，內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)也會被清除。

在 CPU 的四個結(jié)構(gòu)中，寄存器的重要性遠遠高于其余三個。

為什么這么說？

因為程序通常是把寄存器作為對象來進行描述的。

而說到寄存器，就不得不說到匯編語言，說到匯編語言，就不得不說到高級語言，說起高級語言也就不得不提及語言的概念。

人和人之間最古老和直接的溝通媒介是語言。

但是和計算機溝通，就必須按照計算機指令來交換，其中就涉及到語言的問題。

最早，為了解決計算機和人類的交流的問題，出現(xiàn)了匯編語言。

但是匯編語言晦澀難懂，所以又出現(xiàn)了像是 C，C++，Java的這種高級語言。

因此，計算機語言一般分為低級語言和高級語言。

使用高級語言編寫的程序，經(jīng)過編譯轉(zhuǎn)換成機器語言后才能運行，而匯編語言經(jīng)過匯編器才能轉(zhuǎn)換為機器語言。

我們先來看一段采用匯編語言表示的代碼清單：

這是采用匯編語言編寫程序的一部分。

匯編語言采用助記符來編寫程序，每個原本是電信號的機器語言指令會有一個與其對應(yīng)的助記符。

比如，

mov,add 分別是數(shù)據(jù)的存儲（move）和相加（addition）的簡寫。

匯編語言和機器語言一一對應(yīng)。

這點和高級語言不同，我們通常把匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機器語言的這個過程，稱之為匯編。

與之相反，將機器語言轉(zhuǎn)化為匯編語言的過程稱之為反匯編。

匯編語言可以幫助你理解計算機做了什么工作，機器語言級別的程序通過寄存器來處理，

上面代碼中的eax,ebp都是表示的寄存器，它們是CPU內(nèi)部寄存器的名稱。

因此，可以說 CPU 是一系列寄存器的集合體。

一般，在內(nèi)存中的存儲通過地址編號來表示，寄存器的種類是通過名字來區(qū)分。

那些不同類型的CPU，其內(nèi)部寄存器的種類、數(shù)量以及寄存器存儲的數(shù)值范圍也都是不同的。

不過，根據(jù)功能的不同，我們可以將寄存器劃分為下面幾類：

其中，程序計數(shù)器、標(biāo)志寄存器、累加寄存器、指令寄存器和棧寄存器只有一個，其他寄存器一般有好幾個。

程序計數(shù)器是用來存儲嚇下一條指令所在單元的地址。

程序在執(zhí)行時，PC的初值作為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時，

控制器先按照程序計數(shù)器所指出的指令地址，從內(nèi)存中取出一條指令，

隨后分析和執(zhí)行該指令，并同時將PC的值加1指向下一條要執(zhí)行的指令。

我們可以通過一個事例來仔細看一下程序計數(shù)器的執(zhí)行過程：

這是一段進行相加的操作，程序啟動，在經(jīng)過編譯解析后，會經(jīng)由操作系統(tǒng)把硬盤中的程序復(fù)制到內(nèi)存中。

以上示例程序，就是將123和456執(zhí)行相加的操作，隨后將結(jié)果輸出到顯示器上。

因為使用機器語言很難描述，所以這些都是經(jīng)過翻譯后的結(jié)果。

事實上，每個指令和數(shù)據(jù)都有可能分布在不同的地址上，但是為了更好的說明，就把組成一條指令的內(nèi)存和數(shù)據(jù)放在了一個內(nèi)存地址上。

地址0100是程序運行的起始位置，

Windows等操作系統(tǒng)把程序從硬盤復(fù)制到內(nèi)存以后，

就會將程序計數(shù)器作為設(shè)定為起始位置0100，

然后再執(zhí)行程序，每次執(zhí)行一條指令后，程序計數(shù)器的數(shù)值就會增加1，或者是直接指向下一條指令的地址。

隨后，CPU會根據(jù)程序計數(shù)器的數(shù)值，從內(nèi)存中讀取命令并且執(zhí)行，

換言之，程序計數(shù)器控制著程序的流程。

小伙伴們都學(xué)過高級語言，高級語言匯總的條件控制流程主要分為順序執(zhí)行、條件分支、循環(huán)判斷三種。

順序執(zhí)行是按照地址的內(nèi)容順序的執(zhí)行命令。

而條件分支則是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。

循環(huán)則是重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令。

一般情況下，順序執(zhí)行的情況較簡單，每次執(zhí)行一條指令程序計數(shù)器的值就是+1。

條件和循環(huán)分支會使得程序計數(shù)器的值指向任意的地址，

這樣一來，程序就可以返回到上一個地址來重復(fù)執(zhí)行同一個指令，或者跳轉(zhuǎn)到其它任意指令。

下面，我們就以條件分支舉例來說明程序的執(zhí)行過程：

程序的開始過程和順序流程是一樣的，

程序的順序流程和開始過程相同。

CPU從0100處就開始執(zhí)行命令，在0100和0101中都是順序執(zhí)行，PC的值順序+1，執(zhí)行到0102地址的指令時，

判斷0106寄存器的數(shù)值大于0，跳轉(zhuǎn)到0104地址的指令，再將數(shù)值輸?shù)斤@示器中，隨后結(jié)束程序，0103的指令就被跳過了。

這和我們程序中的if（）判斷相同，在不滿足條件的情況下，指令一般會直接跳過。

因此，PC的執(zhí)行過程沒有直接+1，而是下一條指令的地址。

條件和循環(huán)分支會使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），

會根據(jù)當(dāng)前的指令來判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標(biāo)志寄存器，

無論當(dāng)前累加寄存器的運算結(jié)果是正數(shù)、負數(shù)還是零，標(biāo)志寄存器都會將其保存。

CPU 在進行運算時，標(biāo)志寄存器的數(shù)值會根據(jù)當(dāng)前運算的結(jié)果自動設(shè)定，運算結(jié)果的正、負和零三種狀態(tài)由標(biāo)志寄存器的三個位表示。

標(biāo)志寄存器的第一個字節(jié)位、第二個字節(jié)位、第三個字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時，分別代表著正數(shù)、零和負數(shù)。

CPU 的執(zhí)行機制比較有意思，

假設(shè)累加寄存器中存儲的 XXX 和通用寄存器中存儲的 YYY 做比較，執(zhí)行比較的背后，CPU 的運算機制就會做減法運算。

而無論減法運算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負數(shù)，都會保存到標(biāo)志寄存器中。

結(jié)果為正表示 XXX 比 YYY 大，結(jié)果為零表示 XXX 和 YYY 相等，結(jié)果為負表示 XXX 比 YYY 小。

程序比較的指令，實際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運算。

接下來是基址寄存器和變址寄存器，通過這兩個寄存器，可以對主存上的特定區(qū)域進行劃分，以此實現(xiàn)類似數(shù)組的操作。

首先，可以用十六進制數(shù)將計算機內(nèi)存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來。

這樣，凡是該范圍的內(nèi)存地址，只要有一個 32 位的寄存器，就可以查看全部地址。

但是，要是想像數(shù)組那樣，分割特定的內(nèi)存區(qū)域以達到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個寄存器會更方便一些。

比如，我們用兩個寄存器來表示內(nèi)存的值。

這種表示方式很像數(shù)組的構(gòu)造，數(shù)組是指同樣長度的數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中進行連續(xù)排列的數(shù)據(jù)構(gòu)造。

用數(shù)組名表示數(shù)組全部的值，通過索引來區(qū)分數(shù)組的各個數(shù)據(jù)元素，

例如: a[0] - a[4]，[]內(nèi)的 0 - 4 就是數(shù)組的下標(biāo)。

那說了這么多，CPU 到底是怎么一條條的執(zhí)行指令的呢？

幾乎全部的馮·諾伊曼型計算機的CPU，

工作都可以分為5個階段:取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)、結(jié)果寫回。

取指令階段就是將內(nèi)存中的指令讀取到CPU中寄存器的過程，程序起存起用語存儲下一條指令所在的地址；

在取指令完成后，立馬進入指令譯碼階段，

在指令譯碼階段，指令編碼器按照預(yù)先的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區(qū)分出不同的指令類別和各種獲取操作數(shù)的方法；

執(zhí)行指令階段的任務(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實現(xiàn)指令的功能；

訪問取數(shù)階段的任務(wù)是：根據(jù)指令地址碼，得到操作數(shù)在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數(shù)用于運算；

結(jié)果寫回階段作為最后一個階段，把執(zhí)行指令階段的運行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲形式：結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)常被寫到CPU的內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存取。

以上就是圍繞CPU分享的12個內(nèi)容，希望對小伙伴們有用~

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