處理器(CPU)架構和原理分析

一直以來(lái)，總以為CPU內部真是如當年學(xué)習《計算機組成原理》時(shí)書(shū)上所介紹的那樣，是各種邏輯門(mén)器件的組合。當看到納米技術(shù)時(shí)就想，真的可以把那些器件做的那么小么?直到看了Intel CPU制作流程及AMD芯片的制作流程的介紹不禁感慨，原來(lái)科技是如此的發(fā)達。

本文我們以Intel為例對CPU的工作原理做簡(jiǎn)單介紹，僅僅是簡(jiǎn)單介紹，那么AMD，ARM，MIPS甚至PowerPC你應該會(huì )觸類(lèi)旁通才對。

還記得那是1968年7月18日，鮑勃-諾斯和戈登-摩爾的新公司在美國加利福尼亞州，美麗的圣弗朗西斯科灣畔芒延維尤城的梅多費大街365號開(kāi)張了。并在成立不久斥資15000美元從一家叫INTELCO的公司手中買(mǎi)下了Intel名稱(chēng)的使用權。由此Intel這位半導體巨人開(kāi)始了他在IT行業(yè)傳奇般的歷史。

1971年11月15日，這一天被當作全球IT界具有里程碑意義的日子而被寫(xiě)入許多計算機專(zhuān)業(yè)教科書(shū)。Intel公司的工程師特德·霍夫發(fā)明了世界上第一個(gè)微處理器—4004，這款4位微處理器雖然只有45條指令，而且每秒只能執行5萬(wàn)條指令。甚至比不上1946年由美國陸軍賓夕法尼亞大學(xué)研制的世界第一臺計算機ENIAC。但它的集成度卻要高很多，一塊4004的重量還不到一盅司。 他因發(fā)明了微處理器，被英國《經(jīng)濟學(xué)家》雜志稱(chēng)為“第二次世界大戰以來(lái)最有影響的科學(xué)家之一”。Intel公司的CPU發(fā)展歷程如下表所示：

以及后面的Pentium 1,2,3和4，再到酷睿、酷睿2，這里就不再一一列舉。Intel從8086開(kāi)始，就進(jìn)入了我們所謂的x86時(shí)代。而80386的誕生則標志著(zhù)Intel正是進(jìn)入了32位微處理器的時(shí)代。從80386到Pentium 4這個(gè)年代的CPU，就是傳說(shuō)中的IA-32時(shí)代。

我們都知道CPU的根本任務(wù)就是執行指令，對計算機來(lái)說(shuō)最終都是一串由“0”和“1”組成的序列。CPU從邏輯上可以劃分成3個(gè)模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內部總線(xiàn)連接起來(lái)。如下所示：

控制單元：控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，對協(xié)調整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據用戶(hù)預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

運算單元：是運算器的核心?？梢詧绦兴阈g(shù)運算(包括加減乘數等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個(gè)值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來(lái)指揮的，所以它是執行部件。

存儲單元：包括CPU片內緩存和寄存器組，是CPU中暫時(shí)存放數據的地方，里面保存著(zhù)那些等待處理的數據，或已經(jīng)處理過(guò)的數據，CPU訪(fǎng)問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪(fǎng)問(wèn)內存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪(fǎng)問(wèn)內存的次數，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專(zhuān)用寄存器和通用寄存器。專(zhuān)用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途，通用寄存器的數目因微處理器而異。這個(gè)是我們以后要介紹這個(gè)重點(diǎn)，這里先提一下。

我們將上圖細化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：

總的來(lái)說(shuō)，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操作碼的規定，對數據進(jìn)行運算處理，直到程序執行完畢為止。

上圖中我沒(méi)有畫(huà)總線(xiàn)，只是用邏輯方式對其進(jìn)行呈現。原因早期Intel的微處理器，諸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)復用技術(shù)，即將部分(或全部)地址總線(xiàn)與數據總線(xiàn)共用CPU的一些引腳。例如8086外部地址總線(xiàn)有20根，數據總線(xiàn)復用了地址總線(xiàn)的前16根引腳。復用的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)雖然可以少CPU的引腳數，但卻引入了控制邏輯及操作序列上的復雜性。所以，自80286開(kāi)始，Intel的CPU才采用分開(kāi)的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)。

不管是復用還是分開(kāi)，對我們理解CPU的運行原理沒(méi)啥影響，上圖沒(méi)畫(huà)總線(xiàn)的目的就是怕有些人太過(guò)于追求細節，一頭扎下去，浮不起來(lái)，不能從宏觀(guān)上藐視敵人。

OK，總結一下，CPU的運行原理就是：控制單元在時(shí)序脈沖的作用下，將指令計數器里所指向的指令地址(這個(gè)地址是在內存里的)送到地址總線(xiàn)上去，然后CPU將這個(gè)地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對于執行指令過(guò)程中所需要用到的數據，會(huì )將數據地址也送到地址總線(xiàn)，然后CPU把數據讀到CPU的內部存儲單元(就是內部寄存器)暫存起來(lái)，最后命令運算單元對數據進(jìn)行處理加工。周而復始，一直這樣執行下去，天荒地老，?？葜€，直到停電。

如果你對這段話(huà)還是覺(jué)得比較暈乎，那么就看我們老師是怎么講的：

1、取指令：CPU的控制器從內存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個(gè)樣子滴：

操作碼就是匯編語(yǔ)言里的mov,add,jmp等符號碼;操作數地址說(shuō)明該指令需要的操作數所在的地方，是在內存里還是在CPU的內部寄存器里。

2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應進(jìn)行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數在哪里(操作數的地址)。

3、 執行指令，分兩個(gè)階段“取操作數”和“進(jìn)行運算”。

4、 修改指令計數器，決定下一條指令的地址。

關(guān)于CPU我們從宏觀(guān)上把握到這個(gè)程度就OK了，后面我們會(huì )逐步進(jìn)入微觀(guān)階段，依次介紹80X86寄存器及其用途，NASM匯編和ATT的區別，以及C代碼中嵌入的匯編語(yǔ)言的寫(xiě)法。之所以介紹匯編語(yǔ)言目的不是說(shuō)用匯編去寫(xiě)代碼，那是相當的不現實(shí)，除非你是硬件驅動(dòng)工程師。稍微偏上層一點(diǎn)的開(kāi)發(fā)人員懂點(diǎn)低等的東西，對自己理解整個(gè)系統的架構和原理是相當有好處的。