CPU 是如何工作的？

長沙7喜 2019-08-16

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CPU（中央處理器），也被稱為微處理器，是計算機的心臟和/或大腦。本文讓我們一起深入了解計算機的核心，以幫助我們高效地編寫計算機程序。

作者 | Milap Neupane

譯者 | 蘇本如，責編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下為譯文：

“工具通常比機器簡單，通常用手來使用，而機器通常由動物或蒸汽動力驅(qū)動。”

——查爾斯·巴貝奇

計算機是一種機器，主要由電力驅(qū)動，但其靈活性和可編程性幫助實現(xiàn)了其作為一種工具的簡單性。

CPU是計算機的心臟和/或大腦。負責執(zhí)行提供給它們的指令。它的主要任務(wù)是執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，并將指令協(xié)調(diào)在一起。在深入到本文的主要部分之前，讓我們先看看CPU的主要組成部分，以及它們的作用分別是什么。

CPU的兩個主要組成部分

控制單元?—?CU

控制單元（CU）是CPU的一部分，它幫助協(xié)調(diào)指令的執(zhí)行。它告訴CPU應(yīng)該做什么。它的主要職責是根據(jù)指令，幫助激活連接CPU和計算機其他不同部件（包括ALU）的線路?？刂茊卧荂PU的第一個接收處理指令的部件。

控制單元有兩種類型：

硬接線控制單元。
微型可編程（微編程）控制單元。

硬接線控制單元是一種硬件，它需要在硬件上進行更改以實現(xiàn)對其工作方式的修改，而微型可編程控制單元則可以進行編程以更改其工作方式。硬接線控制單元在處理指令方面更快，而微型可編程控制單元則更靈活。

算術(shù)邏輯單元 —? ALU

算術(shù)邏輯單元（ALU），顧名思義，就是負責所有的算術(shù)和邏輯運算。算術(shù)邏輯單元執(zhí)行加法運算，減法運算等操作。算術(shù)邏輯單元是由執(zhí)行這些操作的邏輯電路或邏輯門組成。

大多數(shù)邏輯門接受兩個輸入并產(chǎn)生一個輸出。

下面是一個半加法器電路的例子，它接受兩個輸入并輸出結(jié)果。這里A和B是輸入，S是輸出，C是進位。

半加法器電路圖

存儲 - 寄存器和存儲器

CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行提供給它的指令。在大多數(shù)情況下，為了處理這些指令，它需要數(shù)據(jù)。有些數(shù)據(jù)是中間數(shù)據(jù)，有些是輸入，另一些是輸出。這些數(shù)據(jù)連同指令一起存儲在下列存儲器中：

寄存器

寄存器是一組可以存儲數(shù)據(jù)的小地方。寄存器是鎖存器（Latches）的組合。鎖存器也稱為觸發(fā)器（flip-flops），是存儲1位信息的邏輯門的組合。

鎖存器有一條輸入線，一條寫入和輸入線，和一條輸出線。我們可以啟用寫入線對存儲的數(shù)據(jù)進行更改。當寫入線被禁用時，輸出始終保持不變。

SR鎖存器，由一對交叉耦合的或非門(NOR Gates)構(gòu)成。

CPU由寄存器來存儲輸出數(shù)據(jù)。由于是中間數(shù)據(jù)，它們被發(fā)送到主存儲器（RAM）的速度會慢。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到由總線連接的其它寄存器。寄存器可以存儲指令、輸出數(shù)據(jù)、存儲地址或任何類型的數(shù)據(jù)。

存儲器(RAM)

RAM - 隨機存取存儲器是寄存器的集合，它們以優(yōu)化的方式排列和壓縮在一起，以便存儲更多的數(shù)據(jù)。隨機存取存儲器（RAM）是易失性的，當我們關(guān)閉電源時，它存儲的數(shù)據(jù)會丟失。由于RAM是用于讀/寫數(shù)據(jù)的寄存器的集合，因此RAM可以用于存儲8位地址的輸入、用于存儲實際數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入，和用于儲存最后的和鎖存器一樣工作的讀寫啟用碼。

什么是指令

指令是計算機可以執(zhí)行的最小粒度運算。CPU可以處理各種類型的指令

指令類型包括：

算術(shù)運算指令，如加法和減法運算
邏輯運算指令，如邏輯與（AND）、邏輯或（OR）和邏輯非（NOT）運算
數(shù)據(jù)傳送指令，如數(shù)據(jù)移動、輸入、輸出、加載和存儲
程序控制指令，如條件/無條件轉(zhuǎn)移指令（if…goto，goto），轉(zhuǎn)子指令和轉(zhuǎn)移指令（call，return）
通知CPU程序已結(jié)束的Halt指令

指令通過以下方式提供給計算機：使用匯編語言直接提供，或由編譯器生成，或用某些高級語言解釋給出。

這些指令在CPU內(nèi)部是硬連線的。算術(shù)和邏輯運算指令包括在ALU（算術(shù)邏輯單元）中，而程序控制指令由CU（控制單元）管理。

通常在一個時鐘周期（clock cycle）內(nèi)，計算機可以執(zhí)行一個指令，但是現(xiàn)代的計算機可以同時執(zhí)行多個指令。

計算機可以執(zhí)行的一組指令稱為指令集。

CPU時鐘

時鐘周期

計算機的速度由其時鐘周期(Clock cycle)衡量。它是指計算機每秒工作的時鐘周期數(shù)。單個時鐘周期非常小，大約250*10^(-12)秒。每秒時鐘周期數(shù)越高，處理器速度越快。

CPU時鐘頻率(clock rate)的測量單位為GHz（千兆赫茲）。1Ghz等于10 ?Hz（赫茲）。一赫茲意味著一秒鐘。所以一千兆赫茲意味著每秒10 ?個時鐘周期。

時鐘周期越小，CPU可以執(zhí)行的指令數(shù)量越多。時鐘周期等于時鐘頻率的倒數(shù)，而CPU時間=時鐘周期數(shù)/時鐘頻率

這意味著為了改進（減少）CPU時間，我們可以通過提高時鐘頻率，或優(yōu)化我們提供給CPU的指令來減少指令需要的時鐘周期的數(shù)量。一些處理器提供了提高時鐘頻率的能力，但由于這是一個物理變化，可能會出現(xiàn)過熱，甚至冒煙/起火。

指令是如何執(zhí)行的

指令按順序存儲在隨機存取存儲器（RAM）上。對于一個假設(shè)的CPU指令，它由操作碼（OP code）和存儲器或寄存器地址組成。

控制單元（CU）內(nèi)有兩個寄存器：用于加載指令操作碼的指令寄存器（IR），和用于加載當前正在執(zhí)行的指令地址的指令地址寄存器。CPU中還有其他寄存器，用于存儲一個指令的最后4位的地址中存儲的值。

讓我們以一組實現(xiàn)兩個數(shù)字相加操作的指令為例。下面是這些指令及其說明：

第一步 - LOAD_A 8：

該指令最初保存在RAM中，比如說指令<1100 1000>。它的前4位是操作碼。這決定了這個指令要做什么。然后該指令被讀取到控制單元的指令寄存器（IR）中。指令被譯碼為load_A，這意味著它需要加載地址1000中的數(shù)據(jù)，地址1000是存儲在寄存器A中的指令的后4位。

第二步 - LOAD_B 2:

與上面類似，它將內(nèi)存地址2（0010）中的數(shù)據(jù)加載到CPU的寄存器B中。

第三步 – ADD B A

接下來的這條指令是把這兩個數(shù)字相加。在這里，控制單元（CU）告訴算術(shù)邏輯單元（ALU）執(zhí)行加法操作并將結(jié)果保存回寄存器A中。

第4步 – STORE_A 23

將結(jié)果保存回寄存器A中。

這是一組非常簡單的指令，實現(xiàn)了兩個數(shù)字的相加操作。

現(xiàn)在，我們成功地得到了兩個數(shù)字相加的和值！

總線

CPU，寄存器，存儲器和IO設(shè)備之間的所有數(shù)據(jù)都通過總線傳輸。要將剛才兩數(shù)相加得到的和數(shù)保存到存儲器中，CPU將存儲器地址放入地址總線，將得到的結(jié)果（和數(shù)）放入數(shù)據(jù)總線，然后在控制總線中啟用正確的信號。這樣，數(shù)據(jù)在總線的幫助下被保存到存儲器中。

計算機系統(tǒng)總線

緩存

CPU還具有將指令預取到其緩存中的機制。我們知道，一個處理器可以在一秒鐘內(nèi)完成數(shù)百萬條指令。這意味著從存儲器（RAM）中獲取指令所花費的時間比執(zhí)行指令所花費的時間要多。所以CPU會預取一些指令和數(shù)據(jù)到其緩存中，以加快執(zhí)行速度。

如果緩存中的數(shù)據(jù)和操作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不同，則將數(shù)據(jù)標記為臟位（dirty bit）。

指令流水線

現(xiàn)代CPU在指令執(zhí)行中采用指令流水線技術(shù)實現(xiàn)取指（FI）、譯碼（DI）、執(zhí)行（EI）的并行化。當一條指令完成“取指”后進入“譯碼”的同時，下一條指令就可以進行“取指”了，這樣就提高了指令的執(zhí)行效率。

指令流水線技術(shù)

然而，當一條指令和另一條指令有依賴關(guān)系時，這種技術(shù)會產(chǎn)生問題。所以，指令流水線技術(shù)只能夠讓處理器以不同的順序執(zhí)行相互之間沒有依賴關(guān)系的指令。

多核計算機

它基本上是有不同的CPU，但是有一些共享資源，比如緩存等。

性能

CPU的性能取決于它的執(zhí)行時間。性能=1/執(zhí)行時間

假設(shè)一個程序執(zhí)行需要20毫秒。CPU性能為1/20=0.05ms。相對性能=執(zhí)行時間1/執(zhí)行時間2

影響CPU性能的因素是指令執(zhí)行時間和CPU的時鐘速度（時鐘頻率）。因此，為了提高程序的性能，我們要么提高CPU的時鐘速度（時鐘頻率），要么減少程序中的指令數(shù)量。處理器的速度有限，現(xiàn)代多核計算機每秒可以支持數(shù)百萬條指令。但是，如果我們編寫的程序有太多的指令，就將導致整體性能的降低。

大O符號（Big O notation）計算方法可以用來確定在給定輸入的情況下CPU的性能將如何受到影響。

為了盡可能地提高CPU的速度，很多優(yōu)化工作已經(jīng)在CPU中進行。而我們在編寫任何程序時，都需要考慮如何盡可能地減少我們提供給CPU的指令數(shù)量，以提高計算機程序的性能。