理解CPU与执行指令原理

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@小白创作中心

理解CPU与执行指令原理

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/2301_77053417/article/details/137084356

CPU（中央处理器）是计算机的大脑，负责执行各种计算和逻辑判断任务。本文将从CPU的基本功能和逻辑构成讲起，逐步深入到指令的执行过程，帮助读者理解CPU是如何工作的。

1.理解CPU

1.1.CPU的功能

CPU的主要功能包括：

进行各种算术运算
进行各种逻辑判断

1.2.CPU的逻辑构成

占有率：干活时间/总时间

例子：CPU像一个打工人，如果一天工作时间为8小时，但是花4小时把活做完了，剩下时间摸鱼，此时CPU的占有率为：50%

一般都不是为100%，因为在一个程序中，会同时运行着很多的程序，这些程序并不都是全力在干活
频率：表示工作的快慢

CPU的频率分为基础频率(最低的时候)和最大频率，一般的频率都是在不断的跳动
核心

一般都是多核心，核心越多，工作效率也越快，计算机的性能也就更高。所以写在引入更多的核心，就需要各个核心相互配合工作，因此，多线程就是这么来的

2.认识指令

指令就是CPU中的一部分，下面了解CPU是怎么工作的。

2.1.什么是指令

指令，可以粗略的认为是CPU在被设计的时候，给程序员提供的一些“编程接口”。所以指令≈API
不同的CPU，所提供的指令不一样，但大体相同。
CPU有多种架构，不同架构的CPU，支持的指令也就不一样
指令=操作码+操作数(内存地址或者寄存器编号)

2.2.CPU执行指令的准备工作(重点)

指令，需要先加载到内存中，然后才能被cpu读取

执行指令的大致三步
1. 读取指令(将内存中的指令数据，读取到CPU的寄存器中)
2. 解析指令(分析当前的指令是做什么)
3. 执行指令
寄存器是cpu中一块很小的内存空间
指令表

指令功能说明 4位opcode 操作的地址或寄存器

LOAD_A 从RAM的指定地址，将数据加载到A寄存器 0010 4位RAM地址

LOAD_B 从RAM的指定地址，将数据加载到B寄存器 0001 4位RAM地址

STOP_A 将数据从A寄存器写入RAM的指定地址 0100 4位RAM地址

ADD 计算两个指定寄存器的数据之和，并将结果放入第二个寄存器 1000 2位的寄存器ID2位的寄存器ID

上面的0010之类的是为了区分这是一个什么操作，后面操作的地址啥的类似函数的参数

上述的指令是8位二进制数字(一个字节):前面四位用来区分是什么操作，后面四位是操作数

操作数：如果是前面三个地址，就是通过这个四位数的地址找到地址中存放的数据，这个数据才是真正的操作数。
程序表

例如下面这种，需要根据下面的表执行指令操作

第二列的数据，不一定是数据，也有可能是地址。只有当程序跑起来才能知道

1）介绍PC

在cpu中有一个特殊的寄存器，用来保存接下来要从哪个内存地址(如上面的地址0-15)取指令(如地址右边的就是指令，也有可能是数据),一般称为程序计数器，简称PC

举例

假设此时从0号开始执行，CPU每次读取执行完一个指令之和，就会自动把PC中的值进行+1，顺序的读取下一条。但是如果遇到一些跳转指令，就不是+1，就会跳转到指定的位置。