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CPU 是如何工作的？

 長(zhǎng)沙7喜 2019-08-16
CPU（中央處理器），也被稱為微處理器，是計(jì)算機(jī)的心臟和/或大腦。本文讓我們一起深入了解計(jì)算機(jī)的核心，以幫助我們高效地編寫計(jì)算機(jī)程序。

作者 | Milap Neupane

譯者 | 蘇本如，責(zé)編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下為譯文：
“工具通常比機(jī)器簡(jiǎn)單，通常用手來(lái)使用，而機(jī)器通常由動(dòng)物或蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。”
——查爾斯·巴貝奇
計(jì)算機(jī)是一種機(jī)器，主要由電力驅(qū)動(dòng)，但其靈活性和可編程性幫助實(shí)現(xiàn)了其作為一種工具的簡(jiǎn)單性。
CPU是計(jì)算機(jī)的心臟和/或大腦。負(fù)責(zé)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(yùn)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(gè)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(zé)是根據(jù)指令，幫助激活連接CPU和計(jì)算機(jī)其他不同部件（包括ALU）的線路?？刂茊卧荂PU的第一個(gè)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(jìn)行更改以實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作方式的修改，而微型可編程控制單元?jiǎng)t可以進(jìn)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?jiǎng)t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(fù)責(zé)所有的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。算術(shù)邏輯單元執(zhí)行加法運(yùn)算，減法運(yùn)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(gè)輸入并產(chǎn)生一個(gè)輸出。
下面是一個(gè)半加法器電路的例子，它接受兩個(gè)輸入并輸出結(jié)果。這里A和B是輸入，S是輸出，C是進(jìn)位。   
半加法器電路圖

存儲(chǔ) - 寄存器和存儲(chǔ)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(chǔ)在下列存儲(chǔ)器中：
寄存器
寄存器是一組可以存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。當(dāng)寫入線被禁用時(shí)，輸出始終保持不變。
SR鎖存器，由一對(duì)交叉耦合的或非門(NOR Gates)構(gòu)成。
CPU由寄存器來(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)器（RAM）的速度會(huì)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(chǔ)指令、輸出數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)地址或任何類型的數(shù)據(jù)。
存儲(chǔ)器(RAM)
RAM - 隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）是易失性的，當(dāng)我們關(guān)閉電源時(shí)，它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)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(chǔ)8位地址的輸入、用于存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入，和用于儲(chǔ)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(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的最小粒度運(yùn)算。CPU可以處理各種類型的指令
指令類型包括：

  • 算術(shù)運(yùn)算指令，如加法和減法運(yùn)算

  • 邏輯運(yùn)算指令，如邏輯與（AND）、邏輯或（OR）和邏輯非（NOT）運(yùn)算

  • 數(shù)據(jù)傳送指令，如數(shù)據(jù)移動(dòng)、輸入、輸出、加載和存儲(chǔ)

  • 程序控制指令，如條件/無(wú)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(guò)以下方式提供給計(jì)算機(jī)：使用匯編語(yǔ)言直接提供，或由編譯器生成，或用某些高級(jí)語(yǔ)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(yùn)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(gè)時(shí)鐘周期（clock cycle）內(nèi)，計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行一個(gè)指令，但是現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令。
計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的一組指令稱為指令集。

CPU時(shí)鐘

時(shí)鐘周期
計(jì)算機(jī)的速度由其時(shí)鐘周期(Clock cycle)衡量。它是指計(jì)算機(jī)每秒工作的時(shí)鐘周期數(shù)。單個(gè)時(shí)鐘周期非常小，大約250*10^(-12)秒。每秒時(shí)鐘周期數(shù)越高，處理器速度越快。
CPU時(shí)鐘頻率(clock rate)的測(cè)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(gè)時(shí)鐘周期。
時(shí)鐘周期越小，CPU可以執(zhí)行的指令數(shù)量越多。時(shí)鐘周期等于時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，而CPU時(shí)間=時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻率
這意味著為了改進(jìn)（減少）CPU時(shí)間，我們可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率，或優(yōu)化我們提供給CPU的指令來(lái)減少指令需要的時(shí)鐘周期的數(shù)量。一些處理器提供了提高時(shí)鐘頻率的能力，但由于這是一個(gè)物理變化，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，甚至冒煙/起火。

指令是如何執(zhí)行的

指令按順序存儲(chǔ)在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）上。對(duì)于一個(gè)假設(shè)的CPU指令，它由操作碼（OP code）和存儲(chǔ)器或寄存器地址組成。
控制單元（CU）內(nèi)有兩個(gè)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(dāng)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(chǔ)一個(gè)指令的最后4位的地址中存儲(chǔ)的值。
讓我們以一組實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)字相加操作的指令為例。下面是這些指令及其說(shuō)明：
第一步 - LOAD_A 8：
該指令最初保存在RAM中，比如說(shuō)指令<1100 1000>。它的前4位是操作碼。這決定了這個(gè)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(chǔ)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(lái)的這條指令是把這兩個(gè)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(jiǎn)單的指令，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)字的相加操作。
現(xiàn)在，我們成功地得到了兩個(gè)數(shù)字相加的和值！
總線
CPU，寄存器，存儲(chǔ)器和IO設(shè)備之間的所有數(shù)據(jù)都通過(guò)總線傳輸。要將剛才兩數(shù)相加得到的和數(shù)保存到存儲(chǔ)器中，CPU將存儲(chǔ)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(hào)。這樣，數(shù)據(jù)在總線的幫助下被保存到存儲(chǔ)器中。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線
緩存
CPU還具有將指令預(yù)取到其緩存中的機(jī)制。我們知道，一個(gè)處理器可以在一秒鐘內(nèi)完成數(shù)百萬(wàn)條指令。這意味著從存儲(chǔ)器（RAM）中獲取指令所花費(fèi)的時(shí)間比執(zhí)行指令所花費(fèi)的時(shí)間要多。所以CPU會(huì)預(yù)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(biāo)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(shí)現(xiàn)取指（FI）、譯碼（DI）、執(zhí)行（EI）的并行化。當(dāng)一條指令完成“取指”后進(jìn)入“譯碼”的同時(shí)，下一條指令就可以進(jìn)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(dāng)一條指令和另一條指令有依賴關(guān)系時(shí)，這種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)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(méi)有依賴關(guān)系的指令。
多核計(jì)算機(jī)
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(shí)間。性能=1/執(zhí)行時(shí)間
假設(shè)一個(gè)程序執(zhí)行需要20毫秒。CPU性能為1/20=0.05ms。相對(duì)性能=執(zhí)行時(shí)間1/執(zhí)行時(shí)間2
影響CPU性能的因素是指令執(zhí)行時(shí)間和CPU的時(shí)鐘速度（時(shí)鐘頻率）。因此，為了提高程序的性能，我們要么提高CPU的時(shí)鐘速度（時(shí)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(jì)算機(jī)每秒可以支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)條指令。但是，如果我們編寫的程序有太多的指令，就將導(dǎo)致整體性能的降低。
大O符號(hào)（Big O notation）計(jì)算方法可以用來(lái)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(jìn)行。而我們?cè)诰帉懭魏纬绦驎r(shí)，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(jì)算機(jī)程序的性能。

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