CPU 是怎样工作的？

作者：Milap Neupane
翻译：疯狂的技术宅

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CPU，也被称为微处理器，是计算机的大脑。让我们通过深入了解计算机的核心，来帮助自己有效地编写计算机程序。

“工具通常比机器更简单，它一般用手就可以操作，而机器需要被动物或蒸汽动力启动。”
—— Charles Babbage

计算机是由电力驱动的机器，但其灵活性和可编程性有助于实现工具的简单性。

CPU 是计算机的大脑。它执行提供给它的指令。它的主要工作是执行算术和逻辑运算并一起编排指令。在深入了解主要部分之前，我们先来看看CPU的主要组件以及它们的作用分别是什么：

处理器的两个主要组件

控制单元 — CU（Control unit ）
算术和逻辑单元 — ALU（Arithmetic and logical unit）

控制单元 — CU

控制单元 CU 是 CPU 的一部分，用来帮助协调指令的执行，它告诉 CPU 该做什么。根据该指令，激活将 CPU 连接到计算机的其他不同部分的电路，其中包括 ALU。控制单元是 CPU 接收处理指令的第一个组件。

控制单元有两种类型：

硬连线控制单元。
可微编程（微编程）控制单元。

硬连线控制单元是硬件，需要更改硬件来修改它的工作方式；可编程控制单元可以通过编程来改变其行为。硬连线 CU 在处理指令时更快，而可编程 CU 则更灵活。

算术和逻辑单元 — ALU

算术和逻辑单元 ALU 进行所有的算术和逻辑计算。 ALU 执行加法、减法等操作。 ALU 由执行这些操作的逻辑电路或逻辑门组成。

大多数逻辑门有两个输入端和一个输出端。

下图是半加器电路的一个例子，它接收两个输入并输出结果。A 和 B 是输入，S 是输出，C 是进位。

存储 — 寄存器和内存

CPU 的主要工作是执行提供给它的指令。通常要处理这些指令，它需要数据。一些数据是中间数据，其中一些是输入，另一些是输出。这些数据以及指令存储在以下存储中：

寄存器

寄存器是一小组可以存储数据的地方。寄存器是锁存器的组合。 锁存器也称为触发器，是逻辑门的组合，它能够存储 1 bit 信息。

锁存器有两根输入线：写入和输入线，还有一根输出线。我们可以使写入线更改存储的数据。当禁用写入线时，输出始终保持不变。

一个SR锁存器，由一对交叉耦合的或非（NOR）门组成

CPU 用寄存器来存储输出数据。因为它是中间数据，所以把它送到主存储器（RAM）会很慢。该数据被发送到由总线（BUS）连接的其他寄存器中。寄存器可以用来存储指令、输出数据、存储地址或其它类型的数据。

内存（RAM）

RAM 是一个用优化的方式被紧凑的排列在一起的寄存器的集合，以便它可以存储更多的数据。 RAM（随机存取存储器）是易失性的，当关闭电源时它的数据会丢失。

什么是指令

指令是计算机可以执行的粒度级的计算。 CPU 可以处理各种类型的指令。

指令包括：

算术运算，如加和减
逻辑指令，如与、或、非
数据指令，如移动，输入，输出，加载和存储
流程控制指令，例如 goto、if ... goto、call、return
通知 CPU 程序已结束的 halt 指令

指令通过使用汇编语言提供给计算机，也可以由编译器生成，或以某些高级语言的形式进行解释。

这些指令在 CPU 内部是硬连线的。 ALU 包含算术和逻辑运算，其中控制流由 CU 管理。

在一个时钟周期内计算机可以执行一条指令，但现代计算机可以执行多个指令。

计算机可以执行的一组指令称为指令集。

CPU时钟

时钟周期

计算机的速度是由其时钟周期决定的。它是计算机每秒时钟周期的数量。单个时钟周期非常小，大约是 250 * 10^-12 秒。时钟周期越短处理器的速度也越快。

CPU 时钟周期以 gHz（千兆赫兹）为单位。 1gHz 等于10⁹Hz（赫兹）。赫兹意味着每秒的周期数。所以1千兆赫表示每秒 10⁹ 个周期。

时钟周期越高，CPU 可以执行的指令就越多。时钟周期 = 1 / 时钟速率CPU时间 = 时钟周期数/时钟速率

这意味着可以提高时钟速率，通过改善 CPU 时间来优化 CPU 执行指令的速度。某些处理器提供了提高时钟周期的能力，但由于它是物理变化，因此可能存在使 CPU 过热甚至被烧毁的问题。

如何执行指令

指令按顺序存储在 RAM 中。假设我们有一个 CPU，其指令包括 OP 代码（操作代码）和存储器或寄存器地址。

控制单元内有两个指令寄存器（IR），它用来加载指令的 OP 代码和指令地址寄存器，它用来加载当前执行指令的地址。在 CPU 的内部还有其他寄存器，用于保存存储在指令最后 4 位地址中的值。

接下来我们举一个添加两个数字的指令的例子。以下是指令和说明：

STEP 1 — LOAD_A 8:

该指令最初保存在 RAM 中，比如说<1100 1000>。前4位是操作码，它决定了指令是什么。该指令被提取到控制单元的 IR 中。指令被解码为 load_A，这意味着它需要加载地址 1000 中的数据，地址 1000 是寄存器 A 指令的最后 4 位。

STEP 2 — LOAD_B 2

与上面类似，这将存储器地址 2（0010）中的数据加载到 CPU 寄存器 B 中.

STEP 3 — ADD B A

现在下一条指令是对这两个数字进行加法运算。在这里 CU 告诉 ALU 执行加法操作并将结果保存回寄存器 A.

STEP 4 — STORE_A 23

这是一组非常简单的指令，可以对两个数字进行加法运算。

我们已经成功的对两个数字进行了加法运算！

总线

CPU、寄存器、存储器和 IO 设备之间的所有数据都通过总线进行传输。要将前面进行加法运算的数据加载到存储器中， CPU 需要将存储器地址写入地址总线，并将运算的结果写入数据总线，还要在控制总线中启用正确的信号。通过这种方式，数据在总线的帮助下加载到存储器中。

缓存

CPU 还有将指令预取到其缓存的机制。据我们所知，处理器可以在一秒钟内完成数百万条指令。这意味着从 RAM 中获取指令所花费的时间比执行它们要多。因此 CPU 缓存会预取一些指令和数据以使执行速度更快。

如果高速缓存和操作存储器中的数据不同，则数据被标记为脏位。

指令流水线

现代 CPU 使用指令流水线来执行指令并行化。获取-解码-执行。当一条指令处于解码阶段时，CPU 可以处理另一条指令用于获取阶段。

但是当一条指令依赖于另一条指令时会有问题。因此处理器执行没有依赖且按不同顺序执行的指令。

多核计算机

它基本上是不同的 CPU，但有一些共享资源，例如缓存。

性能

CPU 的性能由它的执行时间决定。性能 = 1 / 执行时间

假设执行一个程序需要 20ms。 CPU 的性能是 1/20 = 0.05ms 相对性能 = 执行时间1 / 执行时间2

CPU 性能考虑的因素是指令执行时间和 CPU 的时钟速度。因此为了提高程序的性能，我们需要提高时钟速度或减少程序中的指令数。处理器的速度有限，具有多核的现代计算机可以每秒支持数百万条指令。但是如果我们编写的程序有很多指令，这将会降低整体性能。

Big O 表示法根据给定的输入确定性能使如何受到影响的。

工程师在 CPU 中进行了大量优化使其更快，并尽可能多地执行指令。在编写任何程序时，我们需要考虑如何减少提供给 CPU 的指令数量将能够提高计算机程序的性能。

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