CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)/執(zhí)行過(guò)程

作為一名工程師，與計(jì)算機(jī)打交道的日子不計(jì)其數(shù)，不管你玩硬件還是做軟件，你的世界自然都少不了計(jì)算機(jī)最核心的 —— CPU。

01 CPU是什么？

CPU與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)芯片，通常嵌入在電腦的主板上。CPU的構(gòu)建是通過(guò)在單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片上放置數(shù)十億個(gè)微型晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些晶體管使它能夠執(zhí)行運(yùn)行存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中的程序所需的計(jì)算，所以，也可以說(shuō)CPU決定了你電腦的計(jì)算能力。

02 CPU實(shí)際做什么？

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(jì)算。這個(gè)過(guò)程一共有三個(gè)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(shí)際內(nèi)容，最后再由CPU的相關(guān)部分執(zhí)行該指令。

03 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(yùn)行流程（以C語(yǔ)言為例），一般來(lái)說(shuō)，了解程序的運(yùn)行流程是掌握程序運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)和前提。

在這個(gè)流程中，CPU負(fù)責(zé)解釋和運(yùn)行最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)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）?？刂茊卧簭膬?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(yùn)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(lái)看，CPU的內(nèi)容是由寄存器、控制器、運(yùn)算器和時(shí)鐘四部分組成的，各個(gè)部分之間通電信號(hào)來(lái)連通。接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下內(nèi)存，為什么說(shuō)到CPU需要講一下內(nèi)存呢？因?yàn)閮?nèi)存是與CPU進(jìn)行溝通的橋梁，計(jì)算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都在內(nèi)存中得到運(yùn)行的。內(nèi)存一般又被稱為主存，它的作用是存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲(chǔ)設(shè)備交換的數(shù)據(jù)。CPU會(huì)在計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進(jìn)行運(yùn)算。在運(yùn)算完成之后，CPU將結(jié)果傳送出來(lái)，主存的運(yùn)行也決定了計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

主存一般通過(guò)控制芯片與CPU相連，由可讀寫的元素構(gòu)成，每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)地址編號(hào)。CPU通過(guò)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(diǎn)：當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)也會(huì)被清除。04CPU是寄存器的集合體在CPU的四個(gè)結(jié)構(gòu)中，寄存器的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余三個(gè)，為什么這么說(shuō)？因?yàn)槌绦蛲ǔＪ前鸭拇嫫髯鳛閷?duì)象來(lái)進(jìn)行描述的。而說(shuō)到寄存器，就不得不說(shuō)到匯編語(yǔ)言，說(shuō)到匯編語(yǔ)言，就不得不說(shuō)到高級(jí)語(yǔ)言，說(shuō)起高級(jí)語(yǔ)言也就不得不提及語(yǔ)言的概念。05計(jì)算機(jī)語(yǔ)言人和人之間最古老和直接的溝通媒介是語(yǔ)言，但是和計(jì)算機(jī)溝通，就必須按照計(jì)算機(jī)指令來(lái)交換，其中就涉及到語(yǔ)言的問題。最早，為了解決計(jì)算機(jī)和人類的交流的問題，出現(xiàn)了匯編語(yǔ)言。但是匯編語(yǔ)言晦澀難懂，所以又出現(xiàn)了像是C、C++、Java的這種高級(jí)語(yǔ)言，因此計(jì)算機(jī)語(yǔ)言一般分為低級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。使用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序，經(jīng)過(guò)編譯轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言后才能運(yùn)行，而匯編語(yǔ)言經(jīng)過(guò)匯編器才能轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言。06匯編語(yǔ)言我們先來(lái)看一段采用匯編語(yǔ)言表示的代碼清單：

這是采用匯編語(yǔ)言編寫程序的一部分，匯編語(yǔ)言采用助記符來(lái)編寫程序，每個(gè)原本是電信號(hào)的機(jī)器語(yǔ)言指令會(huì)有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的助記符。比如，mov，add分別是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（move）和相加（addition）的簡(jiǎn)寫。匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)，這點(diǎn)和高級(jí)語(yǔ)言不同，我們通常把匯編語(yǔ)言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言的這個(gè)過(guò)程，稱之為匯編。與之相反，將機(jī)器語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為匯編語(yǔ)言的過(guò)程稱之為反匯編。匯編語(yǔ)言可以幫助你理解計(jì)算機(jī)做了什么工作，機(jī)器語(yǔ)言級(jí)別的程序通過(guò)寄存器來(lái)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(shuō) CPU 是一系列寄存器的集合體。一般，在內(nèi)存中的存儲(chǔ)通過(guò)地址編號(hào)來(lái)表示，寄存器的種類是通過(guò)名字來(lái)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(chǔ)的數(shù)值范圍也都是不同的。不過(guò)，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(jì)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(gè)，其他寄存器一般有好幾個(gè)。

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程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器是用來(lái)存儲(chǔ)下一條指令所在單元的地址。程序在執(zhí)行時(shí)，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(shí)，控制器先按照程序計(jì)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(shí)將PC的值加1指向下一條要執(zhí)行的指令。我們可以通過(guò)一個(gè)事例來(lái)仔細(xì)看一下程序計(jì)數(shù)器的執(zhí)行過(guò)程：

這是一段進(jìn)行相加的操作，程序啟動(dòng)，在經(jīng)過(guò)編譯解析后，會(huì)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?yàn)槭褂脵C(jī)器語(yǔ)言很難描述，所以這些都是經(jīng)過(guò)翻譯后的結(jié)果。事實(shí)上，每個(gè)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(shuō)明，就把組成一條指令的內(nèi)存和數(shù)據(jù)放在了一個(gè)內(nèi)存地址上。地址0100是程序運(yùn)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(huì)將程序計(jì)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(jì)數(shù)器的數(shù)值就會(huì)增加1，或者是直接指向下一條指令的地址。隨后，CPU會(huì)根據(jù)程序計(jì)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(jì)數(shù)器控制著程序的流程。

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條件分支和循環(huán)機(jī)制小伙伴們都學(xué)過(guò)高級(jí)語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)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。

條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。

循環(huán)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(jiǎn)單，每次執(zhí)行一條指令程序計(jì)數(shù)器的值就是+1。條件和循環(huán)分支會(huì)使得程序計(jì)數(shù)器的值指向任意的地址，這樣一來(lái)，程序就可以返回到上一個(gè)地址來(lái)重復(fù)執(zhí)行同一個(gè)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(lái)說(shuō)明程序的執(zhí)行過(guò)程：

程序的開始過(guò)程和順序流程是一樣的，程序的順序流程和開始過(guò)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(shí)，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(guò)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(huì)直接跳過(guò)。因此，PC的執(zhí)行過(guò)程沒有直接+1，而是下一條指令的地址。

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標(biāo)志寄存器條件和循環(huán)分支會(huì)使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），會(huì)根據(jù)當(dāng)前的指令來(lái)判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標(biāo)志寄存器，無(wú)論當(dāng)前累加寄存器的運(yùn)算結(jié)果是正數(shù)、負(fù)數(shù)還是零，標(biāo)志寄存器都會(huì)將其保存。CPU在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，標(biāo)志寄存器的數(shù)值會(huì)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果自動(dòng)設(shè)定，運(yùn)算結(jié)果的正、負(fù)和零三種狀態(tài)由標(biāo)志寄存器的三個(gè)位表示。標(biāo)志寄存器的第一個(gè)字節(jié)位、第二個(gè)字節(jié)位、第三個(gè)字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時(shí)，分別代表著正數(shù)、零和負(fù)數(shù)。

CPU的執(zhí)行機(jī)制比較有意思，假設(shè)累加寄存器中存儲(chǔ)的XXX和通用寄存器中存儲(chǔ)的YYY做比較，執(zhí)行比較的背后，CPU的運(yùn)算機(jī)制就會(huì)做減法運(yùn)算。而無(wú)論減法運(yùn)算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會(huì)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(fù)表示 XXX 比 YYY 小，程序比較的指令，實(shí)際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運(yùn)算。

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函數(shù)調(diào)用機(jī)制函數(shù)的調(diào)用和條件分支，循環(huán)機(jī)制有所不同，單純的跳轉(zhuǎn)指令無(wú)法實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。函數(shù)的調(diào)用需要在函數(shù)內(nèi)部處理后，處理流程在返回到函數(shù)調(diào)用點(diǎn)（函數(shù)調(diào)用指令的下一個(gè)地址）。函數(shù)的調(diào)用處理是通過(guò)把程序計(jì)數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲(chǔ)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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通過(guò)地址和索引實(shí)現(xiàn)數(shù)組接下來(lái)是基址寄存器和變址寄存器，通過(guò)這兩個(gè)寄存器，可以對(duì)主存上的特定區(qū)域進(jìn)行劃分，以此實(shí)現(xiàn)類似數(shù)組的操作。首先，可以用十六進(jìn)制數(shù)將計(jì)算機(jī)內(nèi)存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來(lái)。這樣，凡是該范圍的內(nèi)存地址，只要有一個(gè) 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(dá)到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個(gè)寄存器會(huì)更方便一些，比如，我們用兩個(gè)寄存器來(lái)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(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中進(jìn)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(guò)索引來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)組的各個(gè)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)。

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CPU指令執(zhí)行過(guò)程那說(shuō)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(jì)算機(jī)的CPU，工作都可以分為5個(gè)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(guò)程，程序寄存器用于存儲(chǔ)下一條指令所在的地址；在取指令完成后，立馬進(jìn)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(duì)取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識(shí)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(shí)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(yùn)算；

結(jié)果寫回階段作為最后一個(gè)階段，把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲(chǔ)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。

編輯：黃飛