一篇關(guān)于CPU的入門(mén)知識

· 控制單元：從內存中提取指令并解碼執行；

· 算數邏輯單元（ALU）：處理算數和邏輯運算。

CPU和內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。它能夠接收數據輸入、執行指令并且處理相關(guān)信息，它與輸入/輸出（I/O）設備進(jìn)行通信，這些設備向CPU發(fā)送數據和從CPU接收數據。

從功能上來(lái)看，CPU的內容是由寄存器、控制器、運算器和時(shí)鐘四部分組成的，各個(gè)部分之間通電信號來(lái)連通。

接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下內存，為什么說(shuō)到CPU需要講一下內存呢？因為內存是與CPU進(jìn)行溝通的橋梁，計算機中所有程序的運行都在內存中得到運行的。

內存一般又被稱(chēng)為主存，它的作用是存放CPU中的運算數據，以及與硬盤(pán)等外部存儲設備交換的數據。CPU會(huì )在計算機運轉時(shí)，把需要運算的數據調到主存中進(jìn)行運算。在運算完成之后，CPU將結果傳送出來(lái)，主存的運行也決定了計算機的穩定運行。主存一般通過(guò)控制芯片與CPU相連，由可讀寫(xiě)的元素構成，每個(gè)字節都有一個(gè)地址編號。

CPU通過(guò)地址從主存中讀取數據和指令，也可以根據地址寫(xiě)入數據，注意一點(diǎn)：當計算機關(guān)機時(shí)，內存中的指令和數據也會(huì )被清除。

04. CPU是寄存器的集合體

在CPU的四個(gè)結構中，寄存器的重要性遠遠高于其余三個(gè)，為什么這么說(shuō)？因為程序通常是把寄存器作為對象來(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)到高級語(yǔ)言，說(shuō)起高級語(yǔ)言也就不得不提及語(yǔ)言的概念。

05. 計算機語(yǔ)言

人和人之間最古老和直接的溝通媒介是語(yǔ)言，但是和計算機溝通，就必須按照計算機指令來(lái)交換，其中就涉及到語(yǔ)言的問(wèn)題。最早，為了解決計算機和人類(lèi)的交流的問(wèn)題，出現了匯編語(yǔ)言。

但是匯編語(yǔ)言晦澀難懂，所以又出現了像是C、C++、Java的這種高級語(yǔ)言，因此計算機語(yǔ)言一般分為低級語(yǔ)言和高級語(yǔ)言。

使用高級語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，經(jīng)過(guò)編譯轉換成機器語(yǔ)言后才能運行，而匯編語(yǔ)言經(jīng)過(guò)匯編器才能轉換為機器語(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(xiě)程序的一部分，匯編語(yǔ)言采用助記符來(lái)編寫(xiě)程序，每個(gè)原本是電信號的機器語(yǔ)言指令會(huì )有一個(gè)與其對應的助記符。比如，mov、add分別是數據的存儲（move）和相加（addition）的簡(jiǎn)寫(xiě)。

匯編語(yǔ)言和機器語(yǔ)言一一對應，這點(diǎn)和高級語(yǔ)言不同，我們通常把匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序轉換為機器語(yǔ)言的這個(gè)過(guò)程，稱(chēng)之為匯編。與之相反，將機器語(yǔ)言轉化為匯編語(yǔ)言的過(guò)程稱(chēng)之為反匯編。

匯編語(yǔ)言可以幫助你理解計算機做了什么工作，機器語(yǔ)言級別的程序通過(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內部寄存器的名稱(chēng)。

因此，可以說(shuō)CPU是一系列寄存器的集合體。一般，在內存中的存儲通過(guò)地址編號來(lái)表示，寄存器的種類(lèi)是通過(guò)名字來(lái)區分。

那些不同類(lèi)型的CPU，其內部寄存器的種類(lèi)、數量以及寄存器存儲的數值范圍也都是不同的。不過(guò)，根據功能的不同，我們可以將寄存器劃分為下面幾類(lèi)：

其中，程序計數器、標志寄存器、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)。

07. 程序計數器

程序計數器是用來(lái)存儲下一條指令所在單元的地址。程序在執行時(shí)，PC的初值作為程序第一條指令的地址，在順序執行程序時(shí)，控制器先按照程序計數器所指出的指令地址，從內存中取出一條指令，隨后分析和執行該指令，并同時(shí)將PC的值加1指向下一條要執行的指令。

我們可以通過(guò)一個(gè)事例來(lái)仔細看一下程序計數器的執行過(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)由操作系統把硬盤(pán)中的程序復制到內存中。

以上示例程序，就是將123和456執行相加的操作，隨后將結果輸出到顯示器上，因為使用機器語(yǔ)言很難描述，所以這些都是經(jīng)過(guò)翻譯后的結果。事實(shí)上，每個(gè)指令和數據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存和數據放在了一個(gè)內存地址上。

地址0100是程序運行的起始位置，Windows等操作系統把程序從硬盤(pán)復制到內存以后，就會(huì )將程序計數器作為設定為起始位置0100，然后再執行程序，每次執行一條指令后，程序計數器的數值就會(huì )增加1，或者是直接指向下一條指令的地址。

隨后，CPU會(huì )根據程序計數器的數值，從內存中讀取命令并且執行，換言之，程序計數器控制著(zhù)程序的流程。

08. 條件分支和循環(huán)機制

小伙伴們都學(xué)過(guò)高級語(yǔ)言，高級語(yǔ)言匯總的條件控制流程主要分為順序執行、條件分支、循環(huán)判斷三種。構成：控制單元和算數邏輯單元（ALU）。

· 順序執行是按照地址的內容順序的執行命令。

· 條件分支是根據條件執行任意地址的指令。

· 循環(huán)是重復執行同一地址的指令。

一般情況下，順序執行的情況較簡(jiǎn)單，每次執行一條指令程序計數器的值就是+1。條件和循環(huán)分支會(huì )使得程序計數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)重復執行同一個(gè)指令，或者跳轉到其它任意指令。

下面，我們就以條件分支舉例來(lái)說(shuō)明程序的執行過(guò)程：

程序的開(kāi)始過(guò)程和順序流程是一樣的，程序的順序流程和開(kāi)始過(guò)程相同。

CPU從0100處就開(kāi)始執行命令，在0100和0101中都是順序執行，PC的值順序+1，執行到0102地址的指令時(shí)，判斷0106寄存器的數值大于0，跳轉到0104地址的指令，再將數值輸到顯示器中，隨后結束程序，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(mǎn)足條件的情況下，指令一般會(huì )直接跳過(guò)。因此，PC的執行過(guò)程沒(méi)有直接+1，而是下一條指令的地址。

09. 標志寄存器

條件和循環(huán)分支會(huì )使用到 jump（跳轉指令），會(huì )根據當前的指令來(lái)判斷是否跳轉，上面我們提到了標志寄存器，無(wú)論當前累加寄存器的運算結果是正數、負數還是零，標志寄存器都會(huì )將其保存。

CPU在進(jìn)行運算時(shí)，標志寄存器的數值會(huì )根據當前運算的結果自動(dòng)設定，運算結果的正、負和零三種狀態(tài)由標志寄存器的三個(gè)位表示。標志寄存器的第一個(gè)字節位、第二個(gè)字節位、第三個(gè)字節位各自的結果都為1時(shí)，分別代表著(zhù)正數、零和負數。

CPU的執行機制比較有意思，假設累加寄存器中存儲的XXX和通用寄存器中存儲的YYY做比較，執行比較的背后，CPU的運算機制就會(huì )做減法運算。而無(wú)論減法運算的結果是正數、零還是負數，都會(huì )保存到標志寄存器中。

結果為正表示 XXX 比 YYY 大，結果為零表示 XXX 和 YYY 相等，結果為負表示 XXX 比 YYY 小，程序比較的指令，實(shí)際上是在 CPU 內部做減法運算。

10. 函數調用機制

函數的調用和條件分支，循環(huán)機制有所不同，單純的跳轉指令無(wú)法實(shí)現函數的調用。函數的調用需要在函數內部處理后，處理流程在返回到函數調用點(diǎn)（函數調用指令的下一個(gè)地址）。

函數的調用處理是通過(guò)把程序計數器的值設定成函數的存儲地址來(lái)實(shí)現的。

11. 通過(guò)地址和索引實(shí)現數組

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，可以對主存上的特定區域進(jìn)行劃分，以此實(shí)現類(lèi)似數組的操作。

首先，可以用十六進(jìn)制數將計算機內存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來(lái)。這樣，凡是該范圍的內存地址，只要有一個(gè) 32 位的寄存器，就可以查看全部地址。

但是，要是想像數組那樣，分割特定的內存區域以達到連續查看的目的的話(huà)，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)表示內存的值。

這種表示方式很像數組的構造，數組是指同樣長(cháng)度的數據，在內存中進(jìn)行連續排列的數據構造。

用數組名表示數組全部的值，通過(guò)索引來(lái)區分數組的各個(gè)數據元素，例如: a[0] - a[4]，[]內的 0 - 4 就是數組的下標。

12. CPU指令執行過(guò)程

那說(shuō)了這么多，CPU到底是怎么一條條的執行指令的呢？幾乎全部的馮·諾伊曼型計算機的CPU，工作都可以分為5個(gè)階段：取指令、指令譯碼、執行指令、訪(fǎng)存取數、結果寫(xiě)回。

取指令階段就是將內存中的指令讀取到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，指令編碼器按照預先的指令格式，對取回的指令進(jìn)行拆分和解釋?zhuān)R別區分出不同的指令類(lèi)別和各種獲取操作數的方法；

· 執行指令階段的任務(wù)是完成指令所規定的各種操作，具體實(shí)現指令的功能；

· 訪(fǎng)問(wèn)取數階段的任務(wù)是：根據指令地址碼，得到操作數在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數用于運算；

· 結果寫(xiě)回階段作為最后一個(gè)階段，把執行指令階段的運行結果數據“寫(xiě)回”到某種存儲形式：結果數據經(jīng)常被寫(xiě)到CPU的內部寄存器中，以便被后續的指令快速地存取。