計算機最核心的——CPU

不管你玩硬件還是做軟件，你的世界都少不了計算機最核心的 —— CPU。

01CPU是什么？

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。

02CPU實際做什么？

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。

03CPU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）?？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。

04CPU是寄存器的集合體

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。

05計算機語言

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。

06匯編語言

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。

07

程序計數(shù)器程序計數(shù)器是用來存儲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。

08

條件分支和循環(huán)機制小伙伴們都學(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。

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。

09

標(biāo)志寄存器條件和循環(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。

10

函數(shù)調(diào)用機制函數(shù)的調(diào)用和條件分支，循環(huán)機制有所不同，單純的跳轉(zhuǎn)指令無法實現(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（函數(shù)調(diào)用指令的下一個地址）。函數(shù)的調(diào)用處理是通過把程序計數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲地址來實現(xiàn)的。

11

通過地址和索引實現(xiàn)數(shù)組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)。

12

CPU指令執(zhí)行過程那說了這么多，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，程序寄存器用于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。

審核編輯：黃飛