大家都是程序員，大家都是和計(jì)算機(jī)打交道的程序員，大家都是和計(jì)算機(jī)中軟件硬件打交道的程序員，大家都是和CPU打交道的程序員，所以，不管你是玩兒硬件的還是做軟件的，你的世界都少不了計(jì)算機(jī)最核心的 - CPU。

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CPU是什么

CPU 的全稱是 Central Processing Unit，它是你的電腦中最硬核的組件，這種說法一點(diǎn)不為過。CPU 是能夠讓你的計(jì)算機(jī)叫計(jì)算機(jī)的核心組件，但是它卻不能代表你的電腦，CPU 與計(jì)算機(jī)的關(guān)系就相當(dāng)于大腦和人的關(guān)系。它是一種小型的計(jì)算機(jī)芯片，它嵌入在臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦或者平板電腦的主板上。通過在單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片上放置數(shù)十億個(gè)微型晶體管來構(gòu)建 CPU。 這些晶體管使它能夠執(zhí)行運(yùn)行存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中的程序所需的計(jì)算，也就是說 CPU 決定了你電腦的計(jì)算能力。 

CPU 實(shí)際做什么

CPU 的核心是從程序或應(yīng)用程序獲取指令并執(zhí)行計(jì)算。此過程可以分為三個(gè)關(guān)鍵階段：提取，解碼和執(zhí)行。CPU從系統(tǒng)的 RAM 中提取指令，然后解碼該指令的實(shí)際內(nèi)容，然后再由 CPU 的相關(guān)部分執(zhí)行該指令。

RAM : 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(英語：Random Access Memory，縮寫：RAM)，也叫主存，是與 CPU 直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。它可以隨時(shí)讀寫(刷新時(shí)除外)，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。

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(yùn)行流程(以 C 語言為例)，可以說了解程序的運(yùn)行流程是掌握程序運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)和前提。 

在這個(gè)流程中，CPU 負(fù)責(zé)的就是解釋和運(yùn)行最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言的內(nèi)容。

CPU 主要由兩部分構(gòu)成：控制單元 和 算術(shù)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(yùn)算

CPU 是計(jì)算機(jī)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(shè)備進(jìn)行通信，這些設(shè)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(yùn)算器和時(shí)鐘四部分組成，各部分之間通過電信號(hào)連通。 

• 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(gè) CPU 內(nèi)部會(huì)有 20 - 100個(gè)寄存器。
• 控制器負(fù)責(zé)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(jì)算機(jī)
• 運(yùn)算器負(fù)責(zé)運(yùn)算從內(nèi)存中讀入寄存器的數(shù)據(jù)
• 時(shí)鐘 負(fù)責(zé)發(fā)出 CPU 開始計(jì)時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)

接下來簡(jiǎn)單解釋一下內(nèi)存，為什么說 CPU 需要講一下內(nèi)存呢，因?yàn)閮?nèi)存是與 CPU 進(jìn)行溝通的橋梁。計(jì)算機(jī)所有程序的運(yùn)行都是在內(nèi)存中運(yùn)行的，內(nèi)存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲(chǔ)設(shè)備交換的數(shù)據(jù)。只要計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中，CPU 就會(huì)把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來，主存的運(yùn)行也決定了計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

主存通過控制芯片與 CPU 進(jìn)行相連，由可讀寫的元素構(gòu)成，每個(gè)字節(jié)(1 byte = 8 bits)都帶有一個(gè)地址編號(hào)，注意是一個(gè)字節(jié)，而不是一個(gè)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(diǎn)：當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)也會(huì)被清除。

CPU 是寄存器的集合體

在 CPU 的四個(gè)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(gè)不用過多關(guān)注，為什么這么說?因?yàn)槌绦蚴前鸭拇嫫髯鳛閷?duì)象來描述的。

說到寄存器，就不得不說到匯編語言，我大學(xué)是學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)的，我就沒有學(xué)過匯編這門課(就算有這門課也不會(huì)好好學(xué)hhhh)，出來混總是要還的，要想作為一個(gè)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(jí)語言，說到高級(jí)語言就不得不牽扯出語言這個(gè)概念。

計(jì)算機(jī)語言

我們生而為人最明顯的一個(gè)特征是我們能通過講話來實(shí)現(xiàn)彼此的交流，但是計(jì)算機(jī)聽不懂你說的話，你要想和他交流必須按照計(jì)算機(jī)指令來交換，這就涉及到語言的問題，計(jì)算機(jī)是由二進(jìn)制構(gòu)成的，它只能聽的懂二進(jìn)制也就是機(jī)器語言，但是普通人是無法看懂機(jī)器語言的，這個(gè)時(shí)候就需要一種電腦既能識(shí)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(jí)語言。

所以計(jì)算機(jī)語言一般分為兩種：低級(jí)語言(機(jī)器語言，匯編語言)和高級(jí)語言。使用高級(jí)語言編寫的程序，經(jīng)過編譯轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言后才能運(yùn)行，而匯編語言經(jīng)過匯編器才能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(fù)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(chǔ)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(gè)原本是電信號(hào)的機(jī)器語言指令會(huì)有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的助記符，例如 mov,add 分別是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)(move)和相加(addition)的簡(jiǎn)寫。匯編語言和機(jī)器語言是一一對(duì)應(yīng)的。這一點(diǎn)和高級(jí)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(jī)器語言的過程稱為 匯編;反之，機(jī)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(jì)算機(jī)做了什么工作，機(jī)器語言級(jí)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(chǔ)通過地址編號(hào)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(chǔ)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(chǔ)運(yùn)行的數(shù)據(jù)和運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。標(biāo)志寄存器用于反應(yīng)處理器的狀態(tài)和運(yùn)算結(jié)果的某些特征以及控制指令的執(zhí)行。程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)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(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)存的起始位置變址寄存器存儲(chǔ)基址寄存器的相對(duì)地址通用寄存器存儲(chǔ)任意數(shù)據(jù)指令寄存器儲(chǔ)存正在被運(yùn)行的指令，CPU內(nèi)部使用，程序員無法對(duì)該寄存器進(jìn)行讀寫棧寄存器存儲(chǔ)棧區(qū)域的起始位置

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

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器(Program Counter)是用來存儲(chǔ)下一條指令所在單元的地址。

程序執(zhí)行時(shí)，PC的初值為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時(shí)，控制器首先按程序計(jì)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(shí)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(gè)事例為準(zhǔn)來詳細(xì)的看一下程序計(jì)數(shù)器的執(zhí)行過程。 

這是一段進(jìn)行相加的操作，程序啟動(dòng)，在經(jīng)過編譯解析后會(huì)由操作系統(tǒng)把硬盤中的程序復(fù)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(jī)器語言難以描述，所以這是經(jīng)過翻譯后的結(jié)果，實(shí)際上每個(gè)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(gè)內(nèi)存地址上。

地址 0100 是程序運(yùn)行的起始位置。Windows 等操作系統(tǒng)把程序從硬盤復(fù)制到內(nèi)存后，會(huì)將程序計(jì)數(shù)器作為設(shè)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(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)增加1(或者直接指向下一條指令的地址)，然后，CPU 就會(huì)根據(jù)程序計(jì)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(jì)數(shù)器控制著程序的流程。

條件分支和循環(huán)機(jī)制

我們都學(xué)過高級(jí)語言，高級(jí)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(fù)執(zhí)行同一地址的指令。

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

條件和循環(huán)分支會(huì)使程序計(jì)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(gè)地址來重復(fù)執(zhí)行同一個(gè)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(shí)，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(huì)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(biāo)志寄存器

條件和循環(huán)分支會(huì)使用到 jump(跳轉(zhuǎn)指令)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前的指令來判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標(biāo)志寄存器，無論當(dāng)前累加寄存器的運(yùn)算結(jié)果是正數(shù)、負(fù)數(shù)還是零，標(biāo)志寄存器都會(huì)將其保存(也負(fù)責(zé)溢出和奇偶校驗(yàn))

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

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

CPU 在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，標(biāo)志寄存器的數(shù)值會(huì)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果自動(dòng)設(shè)定，運(yùn)算結(jié)果的正、負(fù)和零三種狀態(tài)由標(biāo)志寄存器的三個(gè)位表示。標(biāo)志寄存器的第一個(gè)字節(jié)位、第二個(gè)字節(jié)位、第三個(gè)字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時(shí)，分別代表著正數(shù)、零和負(fù)數(shù)。 

CPU 的執(zhí)行機(jī)制比較有意思，假設(shè)累加寄存器中存儲(chǔ)的 XXX 和通用寄存器中存儲(chǔ)的 YYY 做比較，執(zhí)行比較的背后，CPU 的運(yùn)算機(jī)制就會(huì)做減法運(yùn)算。而無論減法運(yùn)算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會(huì)保存到標(biāo)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(fù)表示 XXX 比 YYY 小。程序比較的指令，實(shí)際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運(yùn)算。

函數(shù)調(diào)用機(jī)制

接下來，我們繼續(xù)介紹函數(shù)調(diào)用機(jī)制，哪怕是高級(jí)語言編寫的程序，函數(shù)調(diào)用處理也是通過把程序計(jì)數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲(chǔ)地址來實(shí)現(xiàn)的。函數(shù)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令后，必須進(jìn)行返回處理，單純的指令跳轉(zhuǎn)沒有意義，下面是一個(gè)實(shí)現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)的例子： 

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(jìn)行指令跳轉(zhuǎn)。圖中的地址是將 C 語言編譯成機(jī)器語言后運(yùn)行時(shí)的地址，由于1行 C 程序在編譯后通常會(huì)變?yōu)槎嘈袡C(jī)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(huì)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(gè)指令是 call 和 return 指令，再將函數(shù)的入口地址設(shè)定到程序計(jì)數(shù)器之前，call 指令會(huì)把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令地址存儲(chǔ)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(shè)定到程序計(jì)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(huì)把0154的地址保存在程序計(jì)數(shù)器中。這個(gè)調(diào)用過程如下： 

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

通過地址和索引實(shí)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(gè)寄存器，我們可以對(duì)主存上的特定區(qū)域進(jìn)行劃分，來實(shí)現(xiàn)類似數(shù)組的操作，首先，我們用十六進(jìn)制數(shù)將計(jì)算機(jī)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(gè) 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(dá)到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個(gè)寄存器會(huì)更加方便。

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

這種表示方式很類似數(shù)組的構(gòu)造，數(shù)組是指同樣長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中進(jìn)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?jǐn)?shù)組的各個(gè)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(biāo)。

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(jì)算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個(gè)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(chǔ)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(jìn)入指令譯碼階段，在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對(duì)取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識(shí)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(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實(shí)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(wù)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(yùn)算。
• 結(jié)果寫回階段，作為最后一個(gè)階段，結(jié)果寫回(Write Back，WB)階段把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲(chǔ)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)的指令快速地存取;

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(jí)語言
• 提到了CPU 與 寄存器的關(guān)系
• 提到了主要的寄存器的功能，程序計(jì)數(shù)器，標(biāo)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(jī)制是怎樣的。
• CPU 指令的執(zhí)行過程