CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

       說了這么多 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行流程（以 C 語言為例），可以說了解程序的運行流程是掌握程序運行機制的基礎和前提。

程序編譯執(zhí)行的過程

       在這個流程中，CPU 負責的就是解釋和運行最終轉(zhuǎn)換成機器語言的內(nèi)容。

       CPU 主要由兩部分構(gòu)成：控制單元 和 算術邏輯單元（ALU）

       控制單元：從內(nèi)存中提取指令并解碼執(zhí)行

       算數(shù)邏輯單元（ALU）：處理算數(shù)和邏輯運算

       CPU 是計算機的心臟和大腦，它和內(nèi)存都是由許多晶體管組成的電子部件。它接收數(shù)據(jù)輸入，執(zhí)行指令并處理信息。它與輸入/輸出（I / O）設備進行通信，這些設備向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)和從 CPU 接收數(shù)據(jù)。

       從功能來看，CPU 的內(nèi)部由寄存器、控制器、運算器和時鐘四部分組成，各部分之間通過電信號連通。

CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

       寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。它們可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址?？梢詫⑵淇醋魇莾?nèi)存的一種。根據(jù)種類的不同，一個 CPU 內(nèi)部會有 20 - 100個寄存器。

       控制器負責把內(nèi)存上的指令、數(shù)據(jù)讀入寄存器，并根據(jù)指令的結(jié)果控制計算機運算器負責運算從內(nèi)存中讀入寄存器的數(shù)據(jù)時鐘負責發(fā)出 CPU 開始計時的時鐘信號。

       接下來簡單解釋一下內(nèi)存，為什么說 CPU 需要講一下內(nèi)存呢，因為內(nèi)存是與 CPU 進行溝通的橋梁。計算機所有程序的運行都是在內(nèi)存中運行的，內(nèi)存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲設備交換的數(shù)據(jù)。只要計算機在運行中，CPU 就會把需要運算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進行運算，當運算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來，主存的運行也決定了計算機的穩(wěn)定運行。

       主存通過控制芯片與 CPU 進行相連，由可讀寫的元素構(gòu)成，每個字節(jié)（1 byte = 8 bits）都帶有一個地址編號，注意是一個字節(jié)，而不是一個位。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：當計算機關機時，內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)也會被清除。

CPU 是寄存器的集合體

        在 CPU 的四個結(jié)構(gòu)中，我們程序員只需要了解寄存器就可以了，其余三個不用過多關注，為什么這么說？因為程序是把寄存器作為對象來描述的。

       說到寄存器，就不得不說到匯編語言，我大學是學信息管理與信息系統(tǒng)的，我就沒有學過匯編這門課（就算有這門課也不會好好學hhhh），出來混總是要還的，要想作為一個硬核程序員，不能不了解這些概念。說到匯編語言，就不得不說到高級語言，說到高級語言就不得不牽扯出語言這個概念。

計算機語言

       我們生而為人最明顯的一個特征是我們能通過講話來實現(xiàn)彼此的交流，但是計算機聽不懂你說的話，你要想和他交流必須按照計算機指令來交換，這就涉及到語言的問題，計算機是由二進制構(gòu)成的，它只能聽的懂二進制也就是機器語言，但是普通人是無法看懂機器語言的，這個時候就需要一種電腦既能識別，人又能理解的語言，最先出現(xiàn)的就是匯編語言。但是匯編語言晦澀難懂，所以又出現(xiàn)了像是 C，C++，Java 的這種高級語言。

       所以計算機語言一般分為兩種：低級語言（機器語言，匯編語言）和高級語言。使用高級語言編寫的程序，經(jīng)過編譯轉(zhuǎn)換成機器語言后才能運行，而匯編語言經(jīng)過匯編器才能轉(zhuǎn)換為機器語言。

匯編語言

首先來看一段用匯編語言表示的代碼清單

mov eax, dword ptr [ebp-8] /* 把數(shù)值從內(nèi)存復制到 eax */

add eax, dword ptr [ebp-0Ch] /* 把 eax 的數(shù)值和內(nèi)存的數(shù)值相加 */

mov dword ptr [ebp-4], eax /* 把 eax 的數(shù)值（上一步的結(jié)果）存儲在內(nèi)存中*/

       這是采用匯編語言（assembly）編寫程序的一部分。匯編語言采用 助記符(memonic) 來編寫程序，每一個原本是電信號的機器語言指令會有一個與其對應的助記符，例如 mov,add 分別是數(shù)據(jù)的存儲（move）和相加（addition）的簡寫。匯編語言和機器語言是一一對應的。這一點和高級語言有很大的不同，通常我們將匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機器語言的過程稱為 匯編；反之，機器語言轉(zhuǎn)化為匯編語言的過程稱為反匯編。

       匯編語言能夠幫助你理解計算機做了什么工作，機器語言級別的程序是通過寄存器來處理的，上面代碼中的 eax,ebp 都是表示的寄存器，是 CPU 內(nèi)部寄存器的名稱，所以可以說 CPU 是一系列寄存器的集合體。在內(nèi)存中的存儲通過地址編號來表示，而寄存器的種類則通過名字來區(qū)分。

       不同類型的 CPU ，其內(nèi)部寄存器的種類，數(shù)量以及寄存器存儲的數(shù)值范圍都是不同的。不過，根據(jù)功能的不同，可以將寄存器劃分為下面這幾類

       種類功能累加寄存器存儲運行的數(shù)據(jù)和運算后的數(shù)據(jù)。標志寄存器用于反應處理器的狀態(tài)和運算結(jié)果的某些特征以及控制指令的執(zhí)行。程序計數(shù)器程序計數(shù)器是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。基址寄存器存儲數(shù)據(jù)內(nèi)存的起始位置變址寄存器存儲基址寄存器的相對地址通用寄存器存儲任意數(shù)據(jù)指令寄存器儲存正在被運行的指令，CPU內(nèi)部使用，程序員無法對該寄存器進行讀寫棧寄存器存儲棧區(qū)域的起始位置

       其中程序計數(shù)器、累加寄存器、標志寄存器、指令寄存器和棧寄存器都只有一個，其他寄存器一般有多個。

程序員眼中的CPU

程序計數(shù)器

       程序計數(shù)器(Program Counter)是用來存儲下一條指令所在單元的地址。程序執(zhí)行時，PC的初值為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時，控制器首先按程序計數(shù)器所指出的指令地址從內(nèi)存中取出一條指令，然后分析和執(zhí)行該指令，同時將PC的值加1指向下一條要執(zhí)行的指令。

       我們還是以一個事例為準來詳細的看一下程序計數(shù)器的執(zhí)行過程

內(nèi)存中配置程序示例

       這是一段進行相加的操作，程序啟動，在經(jīng)過編譯解析后會由操作系統(tǒng)把硬盤中的程序復制到內(nèi)存中，示例中的程序是將 123 和 456 執(zhí)行相加操作，并將結(jié)果輸出到顯示器上。由于使用機器語言難以描述，所以這是經(jīng)過翻譯后的結(jié)果，實際上每個指令和數(shù)據(jù)都可能分布在不同的地址上，但為了方便說明，把組成一條指令的內(nèi)存和數(shù)據(jù)放在了一個內(nèi)存地址上。

       地址 0100 是程序運行的起始位置。Windows 等操作系統(tǒng)把程序從硬盤復制到內(nèi)存后，會將程序計數(shù)器作為設定為起始位置 0100，然后執(zhí)行程序，每執(zhí)行一條指令后，程序計數(shù)器的數(shù)值會增加1（或者直接指向下一條指令的地址），然后，CPU 就會根據(jù)程序計數(shù)器的數(shù)值，從內(nèi)存中讀取命令并執(zhí)行，也就是說，程序計數(shù)器控制著程序的流程。

 條件分支和循環(huán)機制

       我們都學過高級語言，高級語言中的條件控制流程主要分為三種：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)行指令。條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。循環(huán)是重復執(zhí)行同一地址的指令。

       順序執(zhí)行的情況比較簡單，每執(zhí)行一條指令程序計數(shù)器的值就是 + 1。

       條件和循環(huán)分支會使程序計數(shù)器的值指向任意的地址，這樣一來，程序便可以返回到上一個地址來重復執(zhí)行同一個指令，或者跳轉(zhuǎn)到任意指令。

       下面以條件分支為例來說明程序的執(zhí)行過程（循環(huán)也很相似）

條件循環(huán)的執(zhí)行流程

       程序的開始過程和順序流程是一樣的，CPU 從0100處開始執(zhí)行命令，在0100和0101都是順序執(zhí)行，PC 的值順序+1，執(zhí)行到0102地址的指令時，判斷0106寄存器的數(shù)值大于0，跳轉(zhuǎn)（jump）到0104地址的指令，將數(shù)值輸出到顯示器中，然后結(jié)束程序，0103 的指令被跳過了，這就和我們程序中的 if() 判斷是一樣的，在不滿足條件的情況下，指令會直接跳過。所以 PC 的執(zhí)行過程也就沒有直接+1，而是下一條指令的地址。

標志寄存器

       條件和循環(huán)分支會使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），會根據(jù)當前的指令來判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標志寄存器，無論當前累加寄存器的運算結(jié)果是正數(shù)、負數(shù)還是零，標志寄存器都會將其保存（也負責溢出和奇偶校驗）

       溢出（overflow）：是指運算的結(jié)果超過了寄存器的長度范圍

       奇偶校驗（parity check）：是指檢查運算結(jié)果的值是偶數(shù)還是奇數(shù)

       CPU 在進行運算時，標志寄存器的數(shù)值會根據(jù)當前運算的結(jié)果自動設定，運算結(jié)果的正、負和零三種狀態(tài)由標志寄存器的三個位表示。標志寄存器的第一個字節(jié)位、第二個字節(jié)位、第三個字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時，分別代表著正數(shù)、零和負數(shù)。

比較運算的標志寄存器示意圖

       CPU 的執(zhí)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(zhí)行比較的背后，CPU 的運算機制就會做減法運算。而無論減法運算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負數(shù)，都會保存到標志寄存器中。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)果為負表示 XXX 比 YYY 小。程序比較的指令，實際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運算。

函數(shù)調(diào)用機制

       接下來，我們繼續(xù)介紹函數(shù)調(diào)用機制，哪怕是高級語言編寫的程序，函數(shù)調(diào)用處理也是通過把程序計數(shù)器的值設定成函數(shù)的存儲地址來實現(xiàn)的。函數(shù)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令后，必須進行返回處理，單純的指令跳轉(zhuǎn)沒有意義，下面是一個實現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)的例子

程序調(diào)用示意圖

       圖中將變量 a 和 b 分別賦值為 123 和 456 ，調(diào)用 MyFun(a,b) 方法，進行指令跳轉(zhuǎn)。圖中的地址是將 C 語言編譯成機器語言后運行時的地址，由于1行 C 程序在編譯后通常會變?yōu)槎嘈袡C器語言，所以圖中的地址是分散的。在執(zhí)行完 MyFun(a,b)指令后，程序會返回到 MyFun(a,b) 的下一條指令，CPU 繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。

       函數(shù)的調(diào)用和返回很重要的兩個指令是 call 和 return 指令，再將函數(shù)的入口地址設定到程序計數(shù)器之前，call 指令會把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令地址存儲在名為棧的主存內(nèi)。函數(shù)處理完畢后，再通過函數(shù)的出口來執(zhí)行 return 指令。return 指令的功能是把保存在棧中的地址設定到程序計數(shù)器。MyFun 函數(shù)在被調(diào)用之前，0154 地址保存在棧中，MyFun 函數(shù)處理完成后，會把0154的地址保存在程序計數(shù)器中。這個調(diào)用過程如下

函數(shù)調(diào)用中程序計數(shù)器和棧的職能

       在一些高級語言的條件或者循環(huán)語句中，函數(shù)調(diào)用的處理會轉(zhuǎn)換成 call 指令，函數(shù)結(jié)束后的處理則會轉(zhuǎn)換成 return 指令。

通過地址和索引實現(xiàn)數(shù)組

       接下來我們看一下基址寄存器和變址寄存器，通過這兩個寄存器，我們可以對主存上的特定區(qū)域進行劃分，來實現(xiàn)類似數(shù)組的操作，首先，我們用十六進制數(shù)將計算機內(nèi)存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來。那么，凡是該范圍的內(nèi)存地址，只要有一個 32 位的寄存器，便可查看全部地址。但如果想要想數(shù)組那樣分割特定的內(nèi)存區(qū)域以達到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個寄存器會更加方便。

       例如，我們用兩個寄存器（基址寄存器和變址寄存器）來表示內(nèi)存的值

基址寄存器和變址寄存器

       這種表示方式很類似數(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)分數(shù)組的各個數(shù)據(jù)元素，例如: a[0] - a[4]，[]內(nèi)的 0 - 4 就是數(shù)組的下標。

CPU 指令執(zhí)行過程

       那么 CPU 是如何執(zhí)行一條條的指令的呢？

       幾乎所有的馮·諾伊曼型計算機的CPU，其工作都可以分為5個階段：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下一條指令所在的地址

       指令譯碼階段，在取指令完成后，立馬進入指令譯碼階段，在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區(qū)分出不同的指令類別以及各種獲取操作數(shù)的方法。

       執(zhí)行指令階段，譯碼完成后，就需要執(zhí)行這一條指令了，此階段的任務是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實現(xiàn)指令的功能。

       訪問取數(shù)階段，根據(jù)指令的需要，有可能需要從內(nèi)存中提取數(shù)據(jù)，此階段的任務是：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)用于運算。

       結(jié)果寫回階段，作為最后一個階段，結(jié)果寫回（Write Back，WB）階段把執(zhí)行指令階段的運行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲形式：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??；

總結(jié)

本篇文章我們主要講述了

CPU 是什么，CPU 的重要性，CPU 執(zhí)行程序的過程

還講述了 CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的組成部分

提到了匯編語言和高級語言

提到了CPU 與 寄存器的關系

提到了主要的寄存器的功能，程序計數(shù)器，標志寄存器，基址寄存器和變址寄存器

還提到了函數(shù)調(diào)用機制是怎樣的。

CPU 指令的執(zhí)行過程