初步了解CPU

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了解CPU

By JackKing_defier

首先说明一下，本文内容主要是简单说明CPU的大致原理，所需要的前提知识我会提出，但是由于篇幅我不会再详细讲解需要的其他基础知识。默认学过工科基础课。

一、总述

先从计算机的结构说起，在现代计算机中，CPU是核心，常常被比喻为人的大脑。现在的计算机都为“冯·诺依曼机”，“冯诺依曼机”的一个显著的特点就是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。CPU是运算器和控制器合起来的统称，因为运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现之后，所以这两个部件就集成在同一芯片上。

了解CPU怎么工作就转化为了解运算器和控制器的作用和功能。

二、CPU的运算

运算器由ALU（算术逻辑单元）和若干通用寄存器组成。//寄存器需要数字逻辑知识

ALU即为一个芯片，有相应的输入，会给出相应的输出，由逻辑运算功能表可确定不同针脚会有的相应的运算输出。//这里可以类比于数字逻辑中的74LS138芯片，只不过74181给出的是相应输入的运算结果。
在这里我想到，很多同学并没有学习过数字逻辑这门课，简单介绍一下。我们高中物理就学过“与门”、“或门”和“非门”，也就是通过电路可以实现逻辑上的“与”、“或”和“非”运算。同时呢，有一个门叫做“与非门”，也就是A和B先做与运算，再做非运算取反。通过布尔代数的运算法则可以把所有“门”的运算都用“与非门”表示出来，也就是等价变换。这样我们就有了异或、同或、或非等各种门电路。

通过若干个输入的信号通过各种门电路之后会产生一个或多个结果，满足我们需要的功能。比如加法器、移位器、触发器、寄存器、译码器。

ALU就是这样一个满足我们运算功能的部件。由于ALU功能很多，你可以理解为能做各种基本算术运算和基本逻辑运算。

说到现在，你现在应该清楚CPU内部有一个专职做运算的部件ALU了，而且由电路就可以实现。用电路可以很方便地表达出二进制信息，比如高电平为“1”，低电平为“0”。CPU处理的数据都为二进制，可以通过原码、反码和补码完成加减乘除运算，这样就把一切运算通过电路实现。

三、指令系统

机器能做解题的运算是因为人们利用了机器语言，机器语言能被机器自身识别，同时也可以被人理解。机器语言是由一条条语句构成的，每一条语句有一定的含义。比如，它可以规定机器做什么操作，指出参与操作的数或其他信息在什么地方等。我们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令，全部机器指令系统的集合称为机器的指令系统。计算机的设计者主要研究如何确定机器的指令系统，如何用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。计算机使用者则是依据指令系统，使用汇编语言来编制各种程序。

上面一段话的内容也就是说：我们利用计算机做的所有操作，本质上都被还原成一个个指令。

指令是由操作码和地址码组成的。也就是分为不同的字段。操作码来指明要进行的操作，地址码来指出该指令的源操作数的地址、结果的地址以及下一条指令的地址。（这里又涉及到指令的格式，指令以及数据的寻址方式等，容易绕而且限于篇幅，略）一条指令包含的信息：它是干什么的，它需要的参数在哪里。

指令存储在存储器中，也就是我们平常说的内存。

四、CPU的控制器

在第二小节中，我说了CPU的运算，这一段主要阐述CPU的控制。CPU的实质包含运算器和控制器两部分。对于冯·诺依曼结构的计算机来说，一旦程序放入存储器后，就可以通过计算机自动完成取指令和分析指令的任务，控制器就是专门做这个工作的。它负责协调并且控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。

取指令，控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。
分析指令，第一，要分析完成什么操作，即为控制器需要发出什么样的操作命令；第二要分析参与这次操作的操作数的有效地址。
执行指令，这一阶段就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，形成操作控制信号序列（不同的指令有不同的操作控制信号序列），通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作，执行每一条指令。

除此之外，控制器还有其它控制的功能，全部罗列会让人头大。简短地讲，就是控制！

根据上文的内容，可以得出CPU必须有的功能：

指令控制，控制程序的顺序执行。//程序运行时，指令一般是顺序执行的。
操作控制，产生完成每条指令所需的控制命令。//根据指令的要求对硬件产生操作控制信号序列，通俗来讲，就是把指令转化为对硬件的直接操作。
时间控制，对各种操作加以时间上的控制。//计算机的操作对时间比较敏感，后面会提到周期的概念。
数据加工，对数据进行算数运算和逻辑运算。//这里主要是靠ALU。
处理中断，//即为CPU被打断的操作，后面会提到中断，在CPU也是挺重要的一个概念。

五、CPU的结构

根据前面提到的CPU必须有的功能，要取指令，必须有一个寄存器专用存放当前指令的地址，告诉你从哪里取出现在需要执行的指令；要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和对指令操作码进行译码的部件，即为分析出这一个指令对应着什么操作，需要干什么；要执行指令，必须有一个能够发出各种操作命令序列的控制部件CU；要完成算术运算和逻辑运算，必须要有存放操作数的寄存器和实现运算的部件ALU；为了处理一些异常情况和特殊请求，还需要有中断系统。

CPU主要由四大部分组成：ALU、CU、寄存器、中断系统。

在数字逻辑中学到，寄存器就可以存放二进制信息。CPU中一些主要的寄存器和它们的功能：

MAR：存储器地址寄存器，用于存放将要被访问的存储单元的地址。
MDR：存储器数据寄存器，用于存放数据。这些数据将要被存放到存储单元或者刚从存储单元中读出。
PC：程序计数器，存放现行指令的地址，有计数功能。//一般下一条指令地址就是PC+1，即为顺序执行。直接修改这个值就是转移类指令，跳转到其他位置继续执行。
IR：指令寄存器，存放当前将要执行的指令。
主要通过这四个寄存器，CPU就可以和主存交换信息。//因为程序以及程序需要的数据都存在主存中。

这里可以举例，CPU从主存中取指令的通路。/MM代表存储器/
取指令：PC–>MAR–>MM–>MDR–>IR
解释：PC中存储着我们将要执行的指令的地址，将现行指令地址存入地址寄存器MAR，然后进行命令存储器读操作，现行指令从存储器中读到数据寄存器MDR中，再将现行指令从MDR送至指令寄存器IR，接下来就进行译码执行部分了，后面根据指令的操作码，由CU译码去执行。

控制单元CU提供微操作命令序列，以完成计算机的全部指令操作。

六、指令周期

CPU取出并执行一条指令所需的时间称为指令周期，也就是CPU完成一条指令的时间。

指令周期简单来讲，分为两个阶段：取指周期和执行周期。
大多数情况下，CPU就是“取指–执行–取指–执行·······”的顺序自动工作。刚才提到过取指令的通路，所有的指令取指令都是这个通路，所以取指周期都相同。根据指令情况，执行周期长短不一，有的甚至没有，直接就是转移指令。

这里要提到一个比较重要的概念：中断
中断比较好理解，就是CPU执行过程中被打断。这里面讲太细了就太多了。我可以用我的语言通俗地让你理解一下：这就好比你去网吧上网，是按照时间计费的，这个时间可以理解为指令周期。在你还正玩着的时候，有人不小心把网线拔了，你就得中断，你得去把网线插好继续玩。这里面就涉及到你得保留之前的位置，不要被别人占了，游戏不退出，让你能够在处理完之后还能继续玩。由于你也比较喜欢玩这个游戏，一般的事情是叫不动你的，这时候哥们叫你去打球，你就说正忙着呢，打完游戏再去打球。这个就说明有个优先级排序，打球的优先级不如玩游戏，所以你屏蔽掉了这个可以干扰你的中断，继续你目前的操作，去玩游戏。
因为在CPU中也会被各种情况打断，可以软件调控的就按照规矩来了，如果是断电什么的，那就是不可操作的了。
在周期这一块有很多划分和概念，比如机器周期，节拍周期等。不说太多，怕你绕。
你就可以理解为一点，CPU对时间把控的很紧，一切按照时间步骤来。

七、FINAL

CPU部件之间传输数据也是依靠总线，总线扩展也很多，你可以简单理解为传输数据。
这里面有很多我都没细说，细说肯定扯不完，因为我一开始写就发现，这其中都是有联系的，我不可能只说一部分，所以基本就把计算机组成原理都说了一下，CPU是计算机的核心，CPU是怎么工作的，详细内容还是来自《计算机组成原理》。
我回顾了一下，我貌似就是把这本教材极致简化了，很多都是一笔带过，不过可以作为非计算机专业同学去初步了解CPU的文章。