初步瞭解CPU

瞭解CPU

By JackKing_defier

首先說明一下，本文內容主要是簡單說明CPU的大體原理，所須要的前提知識我會提出，可是因爲篇幅我不會再詳細講解須要的其餘基礎知識。默認學過工科基礎課。

1、總述

先從計算機的結構提及，在現代計算機中，CPU是核心，經常被比喻爲人的大腦。如今的計算機都爲「馮·諾依曼機」，「馮諾依曼機」的一個顯著的特色就是由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備組成。CPU是運算器和控制器合起來的統稱，由於運算器和控制器在邏輯關係和電路結構上聯繫十分緊密，尤爲在大規模集成電路製做工藝出現以後，因此這兩個部件就集成在同一芯片上。

瞭解CPU怎麼工做就轉化爲了解運算器和控制器的做用和功能。

2、CPU的運算

運算器由ALU（算術邏輯單元）和若干通用寄存器組成。//寄存器須要數字邏輯知識

ALU即爲一個芯片，有相應的輸入，會給出相應的輸出，由邏輯運算功能表可肯定不一樣針腳會有的相應的運算輸出。//這裏能夠類比於數字邏輯中的74LS138芯片，只不過74181給出的是相應輸入的運算結果。 
在這裏我想到，不少同窗並無學習過數字邏輯這門課，簡單介紹一下。咱們高中物理就學過「與門」、「或門」和「非門」，也就是經過電路能夠實現邏輯上的「與」、「或」和「非」運算。同時呢，有一個門叫作「與非門」，也就是A和B先作與運算，再作非運算取反。經過布爾代數的運算法則能夠把全部「門」的運算都用「與非門」表示出來，也就是等價變換。這樣咱們就有了異或、同或、或非等各類門電路。

經過若干個輸入的信號經過各類門電路以後會產生一個或多個結果，知足咱們須要的功能。好比加法器、移位器、觸發器、寄存器、譯碼器。

ALU就是這樣一個知足咱們運算功能的部件。因爲ALU功能不少，你能夠理解爲能作各類基本算術運算和基本邏輯運算。

說到如今，你如今應該清楚CPU內部有一個專職作運算的部件ALU了，並且由電路就能夠實現。用電路能夠很方便地表達出二進制信息，好比高電平爲「1」，低電平爲「0」。CPU處理的數據都爲二進制，能夠經過原碼、反碼和補碼完成加減乘除運算，這樣就把一切運算經過電路實現。

3、指令系統

機器能作解題的運算是由於人們利用了機器語言，機器語言能被機器自身識別，同時也能夠被人理解。機器語言是由一條條語句構成的，每一條語句有必定的含義。好比，它能夠規定機器作什麼操做，指出參與操做的數或其餘信息在什麼地方等。咱們習慣把每一條機器語言的語句稱爲機器指令，所有機器指令系統的集合稱爲機器的指令系統。計算機的設計者主要研究如何肯定機器的指令系統，如何用硬件電路、芯片、設備來實現機器指令系統的功能。計算機使用者則是依據指令系統，使用匯編語言來編制各類程序。

上面一段話的內容也就是說：咱們利用計算機作的全部操做，本質上都被還原成一個個指令。

指令是由操做碼和地址碼組成的。也就是分爲不一樣的字段。操做碼來指明要進行的操做，地址碼來指出該指令的源操做數的地址、結果的地址以及下一條指令的地址。（這裏又涉及到指令的格式，指令以及數據的尋址方式等，容易繞並且限於篇幅，略）一條指令包含的信息：它是幹什麼的，它須要的參數在哪裏。

指令存儲在存儲器中，也就是咱們日常說的內存。

4、CPU的控制器

在第二小節中，我說了CPU的運算，這一段主要闡述CPU的控制。CPU的實質包含運算器和控制器兩部分。對於馮·諾依曼結構的計算機來講，一旦程序放入存儲器後，就能夠經過計算機自動完成取指令和分析指令的任務，控制器就是專門作這個工做的。它負責協調而且控制計算機各部件執行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和執行指令。

取指令，控制器必須具有能自動地從存儲器中取出指令的功能。 
分析指令，第一，要分析完成什麼操做，即爲控制器須要發出什麼樣的操做命令；第二要分析參與此次操做的操做數的有效地址。 
執行指令，這一階段就是根據分析指令產生的「操做命令」和「操做數地址」的要求，造成操做控制信號序列（不一樣的指令有不一樣的操做控制信號序列），經過對運算器、存儲器以及I/O設備的操做，執行每一條指令。

除此以外，控制器還有其它控制的功能，所有羅列會讓人頭大。簡短地講，就是控制！

根據上文的內容，能夠得出CPU必須有的功能：

• 指令控制，控制程序的順序執行。//程序運行時，指令通常是順序執行的。
• 操做控制，產生完成每條指令所需的控制命令。//根據指令的要求對硬件產生操做控制信號序列，通俗來說，就是把指令轉化爲對硬件的直接操做。
• 時間控制，對各類操做加以時間上的控制。//計算機的操做對時間比較敏感，後面會提到週期的概念。
• 數據加工，對數據進行算數運算和邏輯運算。//這裏主要是靠ALU。
• 處理中斷，//即爲CPU被打斷的操做，後面會提到中斷，在CPU也是挺重要的一個概念。

5、CPU的結構

根據前面提到的CPU必須有的功能，要取指令，必須有一個寄存器專用存放當前指令的地址，告訴你從哪裏取出如今須要執行的指令；要分析指令，必須有存放當前指令的寄存器和對指令操做碼進行譯碼的部件，即爲分析出這一個指令對應着什麼操做，須要幹什麼；要執行指令，必須有一個可以發出各類操做命令序列的控制部件CU；要完成算術運算和邏輯運算，必需要有存放操做數的寄存器和實現運算的部件ALU；爲了處理一些異常狀況和特殊請求，還須要有中斷系統。

CPU主要由四大部分組成：ALU、CU、寄存器、中斷系統。

在數字邏輯中學到，寄存器就能夠存放二進制信息。CPU中一些主要的寄存器和它們的功能：

• MAR：存儲器地址寄存器，用於存放將要被訪問的存儲單元的地址。
• MDR：存儲器數據寄存器，用於存放數據。這些數據將要被存放到存儲單元或者剛從存儲單元中讀出。
• PC：程序計數器，存放現行指令的地址，有計數功能。//通常下一條指令地址就是PC+1，即爲順序執行。直接修改這個值就是轉移類指令，跳轉到其餘位置繼續執行。
• IR：指令寄存器，存放當前將要執行的指令。 
  主要經過這四個寄存器，CPU就能夠和主存交換信息。//由於程序以及程序須要的數據都存在主存中。

這裏能夠舉例，CPU從主存中取指令的通路。/MM表明存儲器/ 
取指令：PC–>MAR–>MM–>MDR–>IR 
解釋：PC中存儲着咱們將要執行的指令的地址，將現行指令地址存入地址寄存器MAR，而後進行命令存儲器讀操做，現行指令從存儲器中讀到數據寄存器MDR中，再將現行指令從MDR送至指令寄存器IR，接下來就進行譯碼執行部分了，後面根據指令的操做碼，由CU譯碼去執行。

控制單元CU提供微操做命令序列，以完成計算機的所有指令操做。

6、指令週期

CPU取出並執行一條指令所需的時間稱爲指令週期，也就是CPU完成一條指令的時間。

指令週期簡單來說，分爲兩個階段：取指週期和執行週期。 
大多數狀況下，CPU就是「取指–執行–取指–執行·······」的順序自動工做。剛纔提到過取指令的通路，全部的指令取指令都是這個通路，因此取指週期都相同。根據指令狀況，執行週期長短不一，有的甚至沒有，直接就是轉移指令。

這裏要提到一個比較重要的概念：中斷 
中斷比較好理解，就是CPU執行過程當中被打斷。這裏面講太細了就太多了。我能夠用個人語言通俗地讓你理解一下：這就比如你去網吧上網，是按照時間計費的，這個時間能夠理解爲指令週期。在你還正玩着的時候，有人不當心把網線拔了，你就得中斷，你得去把網線插好繼續玩。這裏面就涉及到你得保留以前的位置，不要被別人佔了，遊戲不退出，讓你可以在處理完以後還能繼續玩。因爲你也比較喜歡玩這個遊戲，通常的事情是叫不動你的，這時候哥們叫你去打球，你就說正忙着呢，打完遊戲再去打球。這個就說明有個優先級排序，打球的優先級不如玩遊戲，因此你屏蔽掉了這個能夠干擾你的中斷，繼續你目前的操做，去玩遊戲。 
由於在CPU中也會被各類狀況打斷，能夠軟件調控的就按照規矩來了，若是是斷電什麼的，那就是不可操做的了。 
在週期這一塊有不少劃分和概念，好比機器週期，節拍週期等。不說太多，怕你繞。 
你就能夠理解爲一點，CPU對時間把控的很緊，一切按照時間步驟來。

7、FINAL

CPU部件之間傳輸數據也是依靠總線，總線擴展也不少，你能夠簡單理解爲傳輸數據。 這裏面有不少我都沒細說，細說確定扯不完，由於我一開始寫就發現，這其中都是有聯繫的，我不可能只說一部分，因此基本就把計算機組成原理都說了一下，CPU是計算機的核心，CPU是怎麼工做的，詳細內容仍是來自《計算機組成原理》。 我回顧了一下，我貌似就是把這本教材極致簡化了，不少都是一筆帶過，不過能夠做爲非計算機專業同窗去初步瞭解CPU的文章。