CPU的知識你都了解多少

CPU對每個(gè)程序員來說，是個(gè)既熟悉又陌生的東西？

如果你只知道CPU是中央處理器的話，那可能對你并沒有什么用，那么作為程序員的我們，必須要搞懂的就是CPU這家伙是如何運(yùn)行的，尤其要搞懂它里面的寄存器是怎么一回事，因?yàn)檫@將讓你從底層明白程序的運(yùn)行機(jī)制。

隨我一起，來好好認(rèn)識下CPU這貨吧

把CPU掰開來看

對于CPU來說，我們首先就要搞明白它是怎么回事，也就是它的內(nèi)部構(gòu)造，當(dāng)然，CPU那么牛的一個(gè)東西，構(gòu)造一定是極其復(fù)雜的，畢竟是超高科技玩意，所以啊，我們今天說的組成什么的，都是指的主要的，對我們程序員有用的，需要了解的那一部分，切莫抬杠哦

首先嘞，我希望你先記住這句話：

CPU所負(fù)責(zé)的就是解釋和運(yùn)行最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言的程序內(nèi)容

另外啊，說起CPU，一定離不開內(nèi)存，在今天的介紹中，也會簡單的說說內(nèi)存，因?yàn)楹笃谝矔为?dú)出一篇講解下內(nèi)存，畢竟了解這些對我們程序員來說很重要的，所以CPU和內(nèi)存經(jīng)常在一塊來講，他們其實(shí)是有很多的晶體管組成的，一般稱他們?yōu)?a target="_blank">IC，也就是集成電路的意思。

接下來我們就來看看CPU的組成，注意我之前說的，這里說的組成一般是指的主要部分，畢竟CPU結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

我們需要知道的CPU結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)需要關(guān)注寄存器

運(yùn)算器

字面意思理解就是跟運(yùn)算有關(guān)的，簡單說就是負(fù)責(zé)運(yùn)算從內(nèi)存讀取到寄存器中的數(shù)據(jù)，可以看作一個(gè)數(shù)據(jù)加工廠，就是對寄存器中的數(shù)據(jù)做運(yùn)算，這些運(yùn)算包含基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

然后對于運(yùn)算器來說，我們要了解其中的幾個(gè)重要角色，接下來我會挨個(gè)介紹：

算術(shù)邏輯單元（ALU）

這個(gè)是運(yùn)算器中重要的一個(gè)組成，主要負(fù)責(zé)的就是對數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算

累計(jì)寄存器（AC）

通常叫做累計(jì)器，是一個(gè)通用寄存器，這個(gè)有啥用呢？上面說的ALU，當(dāng)ALU處理完算術(shù)運(yùn)算或者邏輯運(yùn)算之后，會得到一個(gè)結(jié)果，這個(gè)結(jié)果就會保存在AC中

數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）

這個(gè)DR也是存放數(shù)據(jù)的，存放的主要是從內(nèi)存讀取過來的數(shù)據(jù)，會暫時(shí)存放在這個(gè)DR中，這里就相當(dāng)于內(nèi)存和CPU之間做數(shù)據(jù)傳送的一個(gè)中轉(zhuǎn)站，為啥會有這個(gè)，大家都是到CPU和內(nèi)存的速度是有很大差別的，中間引入一個(gè)DR，一定程度上起到了速度上的緩沖作用，不至于速度相差太猛

狀態(tài)條件寄存器（PSW）

這個(gè)貌似有點(diǎn)不好理解，首先寄存器還是保存數(shù)據(jù)的，所以PSW自然也是保存某一類數(shù)據(jù)的，它保存的主要是由算術(shù)指令和邏輯指令運(yùn)行或者測試的結(jié)果建立的各種條件碼內(nèi)容，一般分為狀態(tài)標(biāo)志和控制標(biāo)志，知道就行

我們需要了解以上的這幾個(gè)組成部分，這都是運(yùn)算器的核心，另外需要特別說一下的就是它們每一個(gè)其實(shí)都有一個(gè)英文縮寫，比如ALU就是算術(shù)邏輯單元的意思，為啥要說這個(gè)嘞，因?yàn)橛⑽目s寫畢竟簡便而且有逼格，所以我們一般交流的時(shí)候會說ALU而不是算術(shù)邏輯單元，因此，記住他們的縮寫也很重要哦。

不然跟別人交流起來的話，別人一出口就是ALU，DR啥的，你很容易跟不上節(jié)奏啊。

對CPU中的運(yùn)算器有個(gè)基本認(rèn)識以后，我們再來看看另外一個(gè)重要組成 控制器

控制器

控制控制，也就是起到一個(gè)控制作用，上面介紹的運(yùn)算器只是起到了運(yùn)算的功能，但是控制器就比較牛，它是控制整個(gè)CPU的工作，對于控制器，一般要能夠保證程序的正確執(zhí)行以及能夠處理異常事件

同樣的，對于控制器來說，我們需要重點(diǎn)關(guān)注如下幾個(gè)：

指令寄存器（IR）

寄存器是保存東西的，指令寄存器自然就是保存指令的，也就是說CPU要執(zhí)行一條指令的話，需要先把指令從內(nèi)存上讀取，然后放到我們上面說的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，之后再從DR放到IR中，接著嘞，會有一個(gè)叫做指令譯碼器的東西根據(jù)IR的內(nèi)容生成很多的微操作指令，從而去控制其他部件已完成相應(yīng)的功能

程序計(jì)數(shù)器（PC）

這個(gè)學(xué)過Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)的應(yīng)該了解，它保存著下一條要執(zhí)行的指令，也就是說當(dāng)一個(gè)程序要執(zhí)行的時(shí)候，會把這個(gè)程序的起始地址存到這個(gè)PC中，如果這個(gè)指令被執(zhí)行的話也不用擔(dān)心，CPU會自動修改，使得PC存放下一條要執(zhí)行的指令

地址寄存器（AR）

這個(gè)就是保存著CPU訪問內(nèi)存上的那一塊內(nèi)存的內(nèi)存地址，為啥要保存這個(gè)，因?yàn)镃PU和內(nèi)存速度相差比較大，所以CPU要保存著正在訪問的那塊內(nèi)存的地址，直到內(nèi)存的讀寫操作完成，不然，找不到之前訪問的是哪個(gè)內(nèi)存單元了啊

指令譯碼器（ID）

簡單點(diǎn)就是對指令做分析的，看看你這個(gè)指令要干啥

不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)，我們上面無論再介紹運(yùn)算器還是控制器的時(shí)候，都大量提及寄存器，這足以說明寄存器的重要性，不是有句話說其實(shí)CPU就是寄存器的集合體，不過在說寄存器之前，我們還是很有必要先來簡單的看看內(nèi)存。

簡單說下內(nèi)存（以后會單獨(dú)說）

CPU和內(nèi)存總是分不開的，這里簡單對內(nèi)存坐下介紹，方便對CPU的理解，內(nèi)存自然而然是存儲部件，存儲的是啥呢？一般來說，就是數(shù)據(jù)和指令，而且我們常說的內(nèi)存指的就是電腦中的內(nèi)存條，就是用來存儲程序啊，數(shù)據(jù)啊，指令啊這些東西。

形象點(diǎn)說，其實(shí)內(nèi)存可以看作一個(gè)個(gè)的小格子，每個(gè)格子都是用來存儲數(shù)據(jù)的，而且每個(gè)格子還有編號，也就是內(nèi)存地址，根據(jù)它可與拿到對應(yīng)內(nèi)存存儲的數(shù)據(jù)，還需要知道的就是，如果斷電的話，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會被清除的。

CPU的大部分都是寄存器

上面說了CPU其實(shí)由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成，其實(shí)無論是運(yùn)算器還是控制器，都離不開寄存器，可以說，CPU就是寄存器的天下，因此，對于CPU，一定要掌握好寄存器，CPU做的一些運(yùn)算其實(shí)就是通過寄存器來實(shí)現(xiàn)的，可以看看這篇文章：一個(gè)程序在計(jì)算機(jī)中是怎么運(yùn)行的？

先記住一句話：

我們使用的Java，python這些都是高級語言，編寫的程序最終會轉(zhuǎn)成機(jī)器語言，之后就會進(jìn)入CPU運(yùn)算，實(shí)質(zhì)就是通過CPU內(nèi)部的寄存器來做相應(yīng)的處理的

寄存器

這個(gè)是我們需要掌握的，寄存器這玩意，不同的CPU中含有的寄存器數(shù)量和種類都不同，不過大體有如下幾種寄存器，按照功能來分的

另外其實(shí)就可以把CPU理解為是寄存器的集合體，然后你需要知道程序計(jì)數(shù)器，累加寄存器，標(biāo)志寄存器，指令寄存器和棧寄存器只有一個(gè)，其他的寄存器一般會有多個(gè)。

說說這個(gè)程序計(jì)數(shù)器

為啥要說這個(gè)，因?yàn)檫@玩意決定著程序的執(zhí)行流程，我們進(jìn)一步來看看

比如看這個(gè)，這個(gè)表示的是兩個(gè)數(shù)相加的操作，關(guān)于這個(gè)操作涉及到的數(shù)據(jù)和指令都保存在了內(nèi)存中，而且每個(gè)數(shù)據(jù)和指令所在的內(nèi)存單元都是有編號的，也就是內(nèi)存地址，就是圖中0100，0101那些，自上而下就是該操作的執(zhí)行順序。

上面也提到過，程序計(jì)數(shù)器是保存程序執(zhí)行的指令的，準(zhǔn)確說保存的是程序執(zhí)行指令的地址值，怎么理解呢？也就是說程序的每一步操作，底層來說都是有一系列指令對應(yīng)著的，這些指令就是表明這一步該怎么操作，比如a＋b這個(gè)操作，加載進(jìn)內(nèi)存后就是對應(yīng)著一系列的指令。

首先就是一個(gè)指令，表明要把a(bǔ)這個(gè)數(shù)值做相加操作，需要先把a(bǔ)保存到累加寄存器，而這個(gè)指令被保存在內(nèi)存中的一個(gè)內(nèi)存單元中，這個(gè)內(nèi)存地址比如說就是0100，而此時(shí)程序計(jì)數(shù)器就是保存的這個(gè)0100內(nèi)存地址，要執(zhí)行程序的時(shí)候，CPU去看看程序計(jì)數(shù)器保存的第一個(gè)地址，發(fā)現(xiàn)是0100，然后去內(nèi)存這個(gè)0100的位置，看看保存的是啥，一看是一個(gè)指令，分析指令，原來是要把0105地址中的值保存到累加寄存器中，然后就開始干活……

所以說啊，程序計(jì)數(shù)器其實(shí)我是決定管理程序的執(zhí)行流程的

CPU是如何做比較的

這個(gè)也需要了解一下，CPU的比較其實(shí)就是再內(nèi)部做減法運(yùn)算，什么意思呢？比如要比較a和b，就是再內(nèi)部做一個(gè)a－b的操作，然后依據(jù)得到的結(jié)果來對a和b做比較，這里面肯定是要借助寄存器來完成，比如得到的結(jié)果就會放到標(biāo)志寄存器中。

CPU做的事其實(shí)很簡單

我們在之前的文章說過，CPU其實(shí)主要就是干如下的四件事情：

從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，然后放到寄存器中

把寄存器中的數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存

進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算（加減乘除，AND，OR）

依據(jù)相應(yīng)的條件進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行其他指令（一條指令跳轉(zhuǎn)到另外一條指令）

我們知道，CPU是依據(jù)指令做事情的，為什么CPU只做上面的四件事情，主要就是看CPU 能執(zhí)行的機(jī)器語言指令有哪些，主要就是如下這些

這么一看，CPU能干的事也沒有那么復(fù)雜啊。

CPU指令執(zhí)行過程

經(jīng)過上面的講解，我們應(yīng)該知道CPU就是看指令做事情的，那么關(guān)于指令，CPU又是怎么操作的呢？ 我們要知道的是幾乎所有的馮·諾伊曼型計(jì)算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個(gè)步驟：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪問取數(shù)、結(jié)果寫回。

可能你不懂了，沒啥，其實(shí)不就是這五個(gè)步驟嘛，搞清楚他們不就ok，接下來咱們來看看：

第一：取指令

字面意思很好理解啊，不就是拿到需要的指令嘛，那么指令在哪嘞，必須是在內(nèi)存啊，也就是需要從內(nèi)存中取出我們需要的指令，然后干嘛，不就是把指令放到CPU中的寄存器嘛，這個(gè)取指令就是這么一個(gè)過程。

第二：指令譯碼

這個(gè)是不是很快想到我們上面說的指令譯碼器，這個(gè)不就是對上一步拿到的指令做分析嘛，干嘛要分析，我得看看你這個(gè)指令到底要干啥啊，不然CPU怎么干活嘞

第三：執(zhí)行指令

這個(gè)不就更好理解了，就是開始干活啦，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能了

第四：訪問取數(shù)

直觀上好像沒有那么好理解，其實(shí)啊，說的就是，我們根據(jù)上面的操作，有可能需要從內(nèi)存中去拿數(shù)據(jù)，啥意思嘞，要知道，內(nèi)存存放的是數(shù)據(jù)和指令，比如執(zhí)行a＋b的操作，我們得到相加的指令，對于a和b都是操作數(shù)，它們也是存放在內(nèi)存中的，是不是也需要去內(nèi)存中去拿到它們

看上面那個(gè)圖，0100對應(yīng)的指令是不是要去0105對應(yīng)的地址中去拿數(shù)據(jù)123，這不就是訪問取數(shù)嘛。

第五：結(jié)果寫回

這又是啥，經(jīng)過上面那么些個(gè)步驟，做的運(yùn)算肯定得有結(jié)果啊，這結(jié)果咋弄，你不得保存在哪啊，通常是保存在CPU內(nèi)部的寄存器中，一般是標(biāo)志寄存器，這不是就是結(jié)果寫回嘛

好啦，到這里，關(guān)于CPU的知識咱們就介紹的差不多了，當(dāng)然，CPU的知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，但是作為程序員的你，最起碼也得知道這些啊。

責(zé)任編輯：Ct