计算机基础之CPU

た入场券 2022-11-15 15:58 80阅读 0赞

前言：  
先介绍下内存，内存是与CPU进行沟通的桥梁，计算机所有程序的运行是在内存中运行的，内存也称主存，作用是存放CPU中的运算数据以及与硬盘等外部存储设备交换的数据，也就是计算机的所有动作需要运算的数据都需要调到主存中进行运算，当运算完之后在由CPU将结果传送出来。  
内存中的每个字节都有一个地址编号，CPU就是通过地址从内存中读取数据和指令以及写入数据的。主存是RAM即随机存取存储器，RAM使用电容充放电来表示0和1，断电后电容放电，数据就消失了，所以电脑断电后，内存中的东西就全部消失了，所以如果你的程序还在运行中，但是此时电脑断电了，那么再来一次吧。

什么是CPU：  
CPU由数十亿个微晶体管构成，这些晶体管使其能够执行存储在系统内存中的程序所需的计算，即CPU决定了你的电脑的计算能力。

CPU的功能：  
CPU的核心操作就是从程序或应用程序获取指令并执行计算。此过程分为3个阶段：提取、解码和执行。首先从内存中提取指令，然后解码该指令，最后执行该指令。另外CPU可以与输入/输出设备进行通信，这些设备向CPU发送数据和从CPU接收数据。

CPU的内部的组成：  
cpu主要由两部分组成：控制单元和算术逻辑单元，控制单元负责从内存中提取指令并解码执行，算数逻辑单元处理算数和逻辑运算。  
CPU内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成，各部分之间通过电信号连通。  
寄存器：用来暂存指令、数据和地址。可以看作内存的一种。  
控制器：负责把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制计算。  
运算器：负责运算从内存中读入寄存器中的数据。  
时钟：负责发出CPU开始计时的时钟信号。

这里我们只用熟悉寄存器就可以了，其他的几个暂时不用过多关注。  
CPU中有很多不同类型的寄存器，这一点在汇编语言的学习中可能会接触的多一些，下面介绍下一些寄存器：  
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其中标黄的这些寄存器都只有一个，其他的三个一般有多个。

程序计数器：通俗的来讲，就是获取要执行的指令的地址（也就是程序转为机器指令后，指令所在的内存地址），在指令的执行过程中，程序计数器中的地址不断变化去执行不同的指令，已完成程序的执行。（这里有一点，在函数调用时怎么办，其实当出现函数调用时，会将该函数的吓一条指令存到主存中的栈中，然后让程序计数器去存放函数中的指令的地址，当函数执行完成后，然后将栈中的地址放入程序计数器中。）

标志寄存器：用来记录运算结果的正负、是否溢出以及奇偶校验等。

基址寄存器和变址寄存器：二者经常搭配使用，基址寄存器存放基地址，加上变址寄存器中的相对地址，最终成为内存地址。

CPU执行指令的过程：  
主要分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。  
取指令：将内存中的指令读取到CPU寄存器的过程，主要就是程序寄存器去存储下一条指令所在的地址。  
指令译码：取指令之后，指令译码按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别不同的指令类别和各种获取操作数的方法  
执行指令：译码之后，执行指令，完成指令的各种操作。  
访存取数：指令执行时，从内存中提取数据，根据指令中的地址码，得到主存中的操作数的地址，然后获取操作数进行计算。  
结果写回：把指令执行完的结果写回到某处（结果数据经常会写道CPU的内部寄存器，以便后续的指令快速地存取）

小结：  
那么具体来说，一个程序从写好后到运行出结果的过程是怎样的？

如下图所示，C程序编译运行的过程如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4MDQ4NzU2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

下面重点解释下CPU解释并执行的过程：首先就是针对内存中的副本转化为一条一条的指令，然后cpu通过指令寄存器获取程序的第一条指令的地址，然后对指令按照既定格式进行翻译，翻译好后执行指令，执行的过程会用到CPU中的寄存器然后执行完一条指令后，程序计数器就存入下一条指令的地址，依次不断执行，这个过程中会从内存中获取数据，最后执行完所有的指令后，将结果写入到一个位置，便于后面对结果的读写。

上面的解释比较简陋，实际中我们可能需要从IO中获取数据，此时CPU会和IO设备进行通信，以及其他的很多细节。不过总之作为一个程序员有必要去了解这些基础知识的，本科老师教这些知识的时候觉得很无聊，没有好好听，现在课下时间去补这部分内容，建议小伙伴一定抓住每一次进步的机会。

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