CPU的内部结构剖析

CPU的内部结构

❝CPU是中央处理器Central Processing Unit的缩写，相当于计算机的大脑，它的内部由数百万至数亿个 「晶体管」 构成。

❞

在 「程序运行流程」 中，CPU所负责的就是 「解释和运行」 最终转换成 「机器语言」 的程序内容。

程序运行流程

CPU和内存是由许多晶体管组成的 「电子部件」 ，通常成为集成电路Integrated Circuit。

❝从功能方面来看，CPU的内部是由 「寄存器」 、 「控制器」 、 「运算器」 、 「时钟」 等四个部分组成，各个部分之间由 「电流信号」 相互连通。

❞

CPU的四个组成部分

1. 「寄存器」
   • 用来 「缓存」 指令、数据等处理对象，可以将其看作是**「内存的一种」**
   • 根据种类的不同，一个CPU内部户有20~100个寄存器
2. 「控制器」
   • 负责把 「内存」 上的指令、数据等读入**「寄存器」**
   • 并根据指令的执行结果来 「控制」 整个计算机
3. 「运算器」
   • 负责运算**「从内存读入寄存器的数据」**
4. 「时钟」
   • 负责发出CPU开始计时的**「时钟信号」**

内存

❝通常所说的 「内存」 指的是计算机的主要存储器Main Memory,简称 「主存」 。

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主存通过 「控制芯片」 等与CPU相连，主要负责 「存储指令和数据」 。主存由 「可读写」 的元素构成，每个字节（1字节=8位）都带有一个 「地址编号」 。CPU可以通过该地址 「读取」 主存中的指令和数据，当然也可以 「写入」 数据。

程序运行机制

程序启动后，根据 「时钟信号」 ， 「控制器」 会从 「内存」 中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行， 「运算器」 就会对数据进行运算， 「控制器」 根据该运算结果来控制计算机。

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CPU是寄存器的集合体

CPU的四个构成部分中，我们只需要了解寄存器即可。这是因为， 「程序是把寄存器作为对象来描述的」 。

假设，我们存在如下用汇编语言编写的代码。

❝ 「汇编语言」 采用助记符Memonic来编写程序，每一个原本是 「电气信号」 的 「机器语言指令」 都有有一个与其 「相对应的助记符」 。

助记符通常为指令功能的英语单词的缩写。

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汇编代码

例如，mov和add分别是数据的存储和相加的简写。

❝「汇编语言和机器语言基本上是一一对应的」

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• 通常我们将 「汇编语言」 编写的程序转化成 「机器语言」 的过程称为**「汇编」**
• 反之， 「机器语言」 程序转化成 「汇编语言」 的程序的过程称为**「反汇编」**

从上述的 「汇编代码」 中，我们可以看出， 「机器语言级别的程序是通过寄存器来处理的」 ，也就是说， 「CPU是寄存器的集合体」 。eax和ebp表示的都是寄存器。并且，内存的存储场所 「通过地址编号来区分」 ，而寄存器的种类 「通过名字来区分」 。

CPU处理程序的大致过程如下：

❝使用 「高级语言」 编写的程序会在 「编译」 后转化成 「机器语言」 ，然后再通过CPU内部的寄存器来处理。

❞

寄存器的种类

❝不同类型的CPU,其内部寄存器的数量、种类以及寄存器存储的数值范围都是不同的。

❞

不过，根据功能的不同，我们可以将寄存器大致分为 「8类」 。

寄存器的主要种类和功能

可以看出，寄存器中存储的内容既 「可以是指令也可以是数据」 。其中，数据分为 「用于运算的数据」 和**「表示内存地址的数据」**

CPU是寄存器的集合体

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决定程序流程的程序计数器

只有1行的有用程序是很少见的，机器语言的程序也是如此。接下来，我们看一下程序是如何按照流程运行的。

下图是程序启动后的内存内容的模型。

❝用户发出启动程序的指示后， 「操作系统」 会把 「硬盘」 中保存的程序 「复制」 到 「内存」 中。

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实例中的程序实现的是将123和456两个数值相加，并将结果输出到显示器上。

前面我们已经介绍过，存储指令和数据的内存，是通过地址来划分的。由于使用机器语言难以清晰地表明各地址存储的内容，因此我们对各地址的存储内容添加注释。实际上， 「一个命令和数据通常被存储在多个地址上」 ，但是为了便于说明，上面的图例中，把指令、数据分配到一个地址中。

大致流程如下：

1. 地址0100是程序运行的开始位置。
2. 操作系统把程序从 「硬盘」 复制到 「内存」 后，会将 「程序计数器」 （CPU寄存器的一种）设定为0100,然后程序便开始运行。
3. 「CPU每执行一个指令，程序计数器的值就会自动加1」
4. 然后，CPU的 「控制器」 就会参照程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行。

❝程序计数器决定着程序的流程

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条件分支和循环机制

程序的流程分为 「顺序执行」 、 「条件分支」 和 「循环」 三种。

1. 「顺序执行」 是指按照地址内容的顺序执行指令
2. 「条件分支」 是指根据条件执行任意地址的指令
3. 「循环」 是指重复执行同一地址的指令

「顺序执行」 的情况比较简单，每执行一个指令 「程序计数器」 的值就 「自动加1」 .但若程序中存在 「条件分支」 和 「循环」 ，机器语言的指令就可以将 「程序计数器」 的值设定为 「任意地址」 （不是加1）。这样一来，程序便可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令，或者跳转到任意地址。

条件分支运行流程

上图表示把内存中存储的数值(示例中是123)的绝对值输出到显示器的程序的内存状态。

大致流程如下：

1. 程序运行的开始位置是0100地址
2. 随着 「程序计数器」 数值的增加
3. 当到达0102地址时，如果 「累加寄存器」 的值是 「正数」 ，则执行 「跳转指令」 （jump指令）跳转到0104地址
4. 此时，由于 「累加寄存器」 的值是123,为 「正数」 ，因此0103地址的指令被跳过，程序的流程 「直接」 跳转到了0104地址

❝ 「条件分支」 和 「循环」 中使用的 「跳转指令」 ，会参照当前执行的 「运算结果」 来判断是否跳转。

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前面我们提到过 「标志寄存器」 。无论当前 「累加寄存器」 的运算结果是负数、零还是正数， 「标志寄存器」 都会将其保存。

CPU在进行运算时， 「标志寄存器」 的数值会根据运算结果 「自动设定」 。至于是否执行 「跳转指令」 ，则由CPU在参考 「标志寄存器」 的数值后进行判断。运算结果的正、零、负 「三个状态」 由 「标志寄存器」 的三个位表示。

32位CPU(寄存器的长度是32位)的标志寄存器的示例

「标志寄存器」 的第一个字节位、第二个字节位和第三个字节位的值为1时，表示的运算结果分别为正数、零和负数。

CPU比较机制

假设要比较 「累加寄存器」 中存储的XXX值和 「通用寄存器」 中存储的YYY值，执行比较的指令后，CPU的运算装置就会在内部进行XXX-YYY的 「减法运行」 。

无论减法运算的结果是正数、零还是负数，都会被保存到 「标志寄存器」 中。

• 结果为 「正」 表示XXX比YYY大
• 结果为 「零」 表示XXX和YYY相等
• 结果为 「负」 表示XXX和YYY小

❝程序中的比较指令，就是在CPU内部做减法运算

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函数的调用机制

❝函数调用处理也是通过把 「程序计数器」 的值设定成函数的存储地址来实现的

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和 「条件分支」 、 「循环」 的机制不同，因为单纯的跳转指令无法实现函数的调用。

❝函数的调用需要在完成函数内部的处理后，处理流程再返回到函数调用点( 「函数调用指令的下一个地址」 )

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上图的示例为 变量a和b分别代入123和456后，将其赋值给参数来调用MyFunc函数的C语言程序。图中的地址是将C语言编译成机器语言后运行时的地址。由于1行C语言程序在编译后通常会变成多行的机器语言，所以图中的地址是 「离散」 的。

此外，通过 「跳转指令」 把 「程序计数器」 的值设定为0260也可以实现调用MyFunc函数。函数的 「调用原点」 （0132地址）和 「被调用函数」 (0260地址)之间的数据传递，可以通过内存或寄存器来实现。

当函数处理进行到最后的0354地址时，我们应该将 「程序计数器」 的值设定成函数调用后要执行的0154地址。我们通过机器语言的call指令和return指令能实现该功能。

call 指令和return 指令

❝函数调用使用的是call指令，而不是跳转指令。

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在将函数的入口地址设定到 「程序计数器」 之前， 「call指令」 会把调用函数后要执行的指令地址存储在名为 「栈」 的内存内。 「return 指令」 的功能是把保存在栈中的地址设定到 「程序计数器」 中。

通过地址和索引实现数组

❝通过 「基址寄存器」 和 「变址寄存器」 可以对 「主内存」 上特定的内存区域进行划分，从而实现类似于数组的操作

❞

1. 用 「十六进制数」 将计算机内存上00000000~FFFFFFFF的地址划分出来
   • 凡是该范围的内存区域，只要有一个32位的寄存器，即可查看全部的内存地址
2. 如果想要像数组那样分割特定的内存区域以达到连续查看的目的，使用两个寄存器会更方便

❝CPU会把 「基址寄存器」 + 「变址寄存器」 的值解释为实际查看的内存地址。

❞

「变址寄存器」 的值相当于高级程序语言程序中数组的**「索引功能」**