[導(dǎo)讀]作為一名程序員，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)建是通過在
作為一名程序員，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。
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CPU決定了你電腦的計(jì)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(jì)算。
這個(gè)過程一共有三個(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。
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語言為例），一般來說，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）。
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?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，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。
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？因?yàn)槌绦蛲ǔＪ前鸭拇嫫髯鳛閷ο髞磉M(jìn)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(jí)語言，說起高級(jí)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(jì)算機(jī)溝通，就必須按照計(jì)算機(jī)指令來交換，其中就涉及到語言的問題。
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(jí)語言，因此計(jì)算機(jī)語言一般分為低級(jí)語言和高級(jí)語言。
使用高級(jí)語言編寫的程序，經(jīng)過編譯轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言后才能運(yùn)行，而匯編語言經(jīng)過匯編器才能轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言。
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(gè)原本是電信號(hào)的機(jī)器語言指令會(huì)有一個(gè)與其對應(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）的簡寫。
匯編語言和機(jī)器語言一一對應(yīng)，這點(diǎn)和高級(jí)語言不同，我們通常把匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言的這個(gè)過程，稱之為匯編。
與之相反，將機(jī)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(jì)算機(jī)做了什么工作，機(jī)器語言級(jí)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。
一般，在內(nèi)存中的存儲(chǔ)通過地址編號(hào)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(chǔ)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(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)。
程序計(jì)數(shù)器是用來存儲(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。
我們可以通過一個(gè)事例來仔細(xì)看一下程序計(jì)數(shù)器的執(zhí)行過程：
這是一段進(jìn)行相加的操作，程序啟動(dòng)，在經(jīng)過編譯解析后，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)器語言很難描述，所以這些都是經(jīng)過翻譯后的結(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。
小伙伴們都學(xué)過高級(jí)語言，高級(jí)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(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，程序就可以返回到上一個(gè)地址來重復(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(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。
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(huì)使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），會(huì)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(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。
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)用處理是通過把程序計(jì)數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲(chǔ)地址來實(shí)現(xiàn)的。
通過地址和索引實(shí)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(gè)寄存器，可以對主存上的特定區(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。
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(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，通過索引來區(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)。
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(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。
【01】中科院大學(xué)本科生9個(gè)月成功設(shè)計(jì)出64位處理器：已成功流片
【03】CPU緩存有什么用？科普一下關(guān)于CPU緩存的作用
【05】深度剖析：CPU 到底是怎么識(shí)別代碼的？
免責(zé)聲明：整理文章為傳播相關(guān)技術(shù)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除
免責(zé)聲明：本文內(nèi)容由21ic獲得授權(quán)后發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。文章僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表本平臺(tái)立場，如有問題，請聯(lián)系我們，謝謝！
掃描二維碼，關(guān)注更多精彩內(nèi)容
本站聲明： 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益，請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
9月2日消息，不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司，隨著阿維塔和賽力斯的入局，華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。
關(guān)鍵字：
阿維塔
塞力斯
華為
加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布，該公司與Amazon Web Services （AWS）簽訂了...
關(guān)鍵字：
AWS
AN
BSP
數(shù)字化
倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V，這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具，可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...
關(guān)鍵字：
汽車
人工智能
智能驅(qū)動(dòng)
BSP
北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行，同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)，如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性，提升韌性，成...
關(guān)鍵字：
亞馬遜
解密
控制平面
BSP
8月30日消息，據(jù)媒體報(bào)道，騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。
關(guān)鍵字：
騰訊
編碼器
CPU
8月28日消息，今天上午，2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行，華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。
關(guān)鍵字：
華為
12nm
EDA
半導(dǎo)體
8月28日消息，在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上，華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱，數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。
關(guān)鍵字：
華為
12nm
手機(jī)
衛(wèi)星通信
要點(diǎn)： 有效應(yīng)對環(huán)境變化，經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措，毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著，戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略，塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...
關(guān)鍵字：
通信
BSP
電信運(yùn)營商
數(shù)字經(jīng)濟(jì)
北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日，由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...
關(guān)鍵字：
VI
傳輸協(xié)議
音頻
BSP
北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上，軟通動(dòng)力信息技術(shù)（集團(tuán)）股份有限公司（以下簡稱"軟通動(dòng)力"）與長三角投資（上海）有限...
關(guān)鍵字：
BSP
信息技術(shù)
山海路引?嵐悅新程 三亞2024年8月27日 /美通社/ --?近日，海南地區(qū)六家凱悅系酒店與中國高端新能源車企嵐圖汽車（VOYAH）正式達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議。這一合作標(biāo)志著兩大品牌在高端出行體驗(yàn)和環(huán)保理念上的深度融合，將...
關(guān)鍵字：
新能源
BSP
PLAYER
ASIA
上海2024年8月28日 /美通社/ -- 8月26日至8月28日，AHN LAN安嵐與股神巴菲特的孫女妮可?巴菲特共同開啟了一場自然和藝術(shù)的療愈之旅。 妮可·巴菲特在療愈之旅活動(dòng)現(xiàn)場合影 ...
關(guān)鍵字：
MIDDOT
BSP
LAN
SPI
8月29日消息，近日，華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文在中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式上表示，中國科技企業(yè)不應(yīng)怕美國對其封鎖。
關(guān)鍵字：
華為
12nm
EDA
半導(dǎo)體
上海2024年8月26日 /美通社/ -- 近日，全球領(lǐng)先的消費(fèi)者研究與零售監(jiān)測公司尼爾森IQ（NielsenIQ）迎來進(jìn)入中國市場四十周年的重要里程碑，正式翻開在華發(fā)展新篇章。自改革開放以來，中國市場不斷展現(xiàn)出前所未有...
關(guān)鍵字：
BSP
NI
SE
TRACE
上海2024年8月26日 /美通社/ -- 第二十二屆跨盈年度B2B營銷高管峰會(huì)(CC2025)將于2025年1月15-17日在上海舉辦，本次峰會(huì)早鳥票注冊通道開啟，截止時(shí)間10月11日。 了解更多會(huì)議信息：cc.co...
關(guān)鍵字：
BSP
COM
AI
INDEX
上海2024年8月26日 /美通社/ -- 今日，高端全合成潤滑油品牌美孚1號(hào)攜手品牌體驗(yàn)官周冠宇，開啟全新旅程，助力廣大車主通過駕駛?cè)ヌ剿鞲鼜V闊的世界。在全新發(fā)布的品牌視頻中，周冠宇及不同背景的消費(fèi)者表達(dá)了對駕駛的熱愛...
關(guān)鍵字：
BSP
汽車制造
此次發(fā)布標(biāo)志著Cision首次為亞太市場量身定制全方位的媒體監(jiān)測服務(wù)。 芝加哥2024年8月27日 /美通社/ -- 消費(fèi)者和媒體情報(bào)、互動(dòng)及傳播解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者Cis...
關(guān)鍵字：
CIS
IO
SI
BSP
上海2024年8月27日 /美通社/ -- 近來，具有強(qiáng)大學(xué)習(xí)、理解和多模態(tài)處理能力的大模型迅猛發(fā)展，正在給人類的生產(chǎn)、生活帶來革命性的變化。在這一變革浪潮中，物聯(lián)網(wǎng)成為了大模型技術(shù)發(fā)揮作用的重要陣地。 作為全球領(lǐng)先的...
關(guān)鍵字：
模型
移遠(yuǎn)通信
BSP
高通
北京2024年8月27日 /美通社/ -- 高途教育科技公司（紐約證券交易所股票代碼：GOTU）（"高途"或"公司"），一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)的在線直播大班培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，今日發(fā)布截至2024年6月30日第二季度未經(jīng)審計(jì)財(cái)務(wù)報(bào)告。 2...
關(guān)鍵字：
BSP
電話會(huì)議
COM
TE
8月26日消息，華為公司最近正式啟動(dòng)了“華為AI百校計(jì)劃”，向國內(nèi)高校提供基于昇騰云服務(wù)的AI計(jì)算資源。
關(guān)鍵字：
華為
12nm
EDA
半導(dǎo)體
下載文檔
