CPU的原理

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CPU的原理

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CSDN

https://blog.csdn.net/sinat_31608641/article/details/145671142

CPU（中央处理器）是计算机系统的核心组件，负责执行程序指令和处理数据。本文将从CPU的基本功能、结构、核心功能单元以及多核技术等方面，为您详细介绍CPU的工作原理。

一、CPU的功能

中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）总是周而复始地做同一件事：从内存取指令，然后解释执行它，然后再取下一条指令，再解释执行。

二、CPU的结构

CPU有两种基本结构：冯·诺伊曼结构与哈佛结构。

冯·诺伊曼结构

哈佛结构

这两个体系的区别如下：

1. 存储器

哈佛结构使用两个独立的存储器：指令存储器和数据存储器。指令存储器存储程序指令，数据存储器存储程序数据。冯·诺伊曼结构则使用一个统一的存储器，存储程序指令和数据。

2. 编址

哈佛结构采用指令和数据独立编址方式。指令存储器和数据存储器拥有各自的地址空间，CPU需要使用不同的指令来访问它们。冯·诺依曼结构采用指令和数据统一编址方式，指令和数据共享同一个地址空间，CPU可以使用相同的指令来访问它们。

3. 总线

哈佛结构使用两条独立的总线：指令总线和数据总线。CPU通过指令总线读取指令，通过数据总线读取数据。冯·诺依曼结构则使用一条统一的总线，用于传输指令和数据。

三、核心的功能单元

CPU最核心的功能单元包括：

寄存器（Register）：是CPU内部的高速存储器，像内存一样可以存取数据，但比访问内存快得多。随后的几章我们会详细介绍x86的寄存器eax、 esp、 eip等。有些寄存器只能用于某种特定的用途，比如eip用作程序计数器，这称为特殊寄存器（Special-purpose Register），而另外一些寄存器可以用在各种运算和读写内存的指令中，比如eax寄存器，这称为通用寄存器（General-purpose Register）。
程序计数器（PC， Program Counter）：是一种特殊寄存器，保存着CPU取下一条指令的地址， CPU按程序计数器保存的地址去内存中取指令然后解释执行，这时程序计数器保存的地址会自动加上该指令的长度，指向内存中的下一条指令。
指令译码器（Instruction Decoder）：CPU取上来的指令由若干个字节组成，这些字节中有些位表示内存地址，有些位表示寄存器编号，有些位表示这种指令做什么操作，是加减乘除还是读写内存，指令译码器负责解释这条指令的含义，然后调动相应的执行单元去执行它。
算术逻辑单元（ALU， Arithmetic and Logic Unit）：如果译码器将一条指令解释为运算指令，就调动算术逻辑单元去做运算，比如加减乘除、位运算、逻辑运算。指令中会指示运算结果保存到哪里，可能保存到寄存器中，也可能保存到内存中。
地址和数据总线（Bus）：CPU和内存之间用地址总线、数据总线和控制线连接起来，每条线上有1和0两种状态。如果在执行指令过程中需要访问内存，比如从内存读一个数到寄存器，执行过程可以想像成这样：
1. CPU内部将寄存器对接到数据总线上，使寄存器的每一位对接到一条数据线，等待接收数据。
2. CPU通过控制线发一个读请求，并且将内存地址通过地址线发给内存。
3. 内存收到地址和读请求之后，将相应的内存单元对接到数据总线的另一端，这样，内存单元每一位的1或0状态通过一条数据线到达CPU寄存器中相应的位，就完成了数据传送。往内存里写数据的过程与此类似，只是数据线上的传输方向相反。

上图中画了32条地址线和32条数据线， CPU寄存器也是32位，可以说这种体系结构是32位的，比如x86就是这样的体系结构，目前主流的处理器是32位或64位的。地址线、数据线和CPU寄存器的位数通常是一致的，从上图可以看出数据线和CPU寄存器的位数应该一致，另外有些寄存器（比如程序计数器）需要保存一个内存地址，因而地址线和CPU寄存器的位数也应该一致。