点击查看【bilibili】

CPU 概念

• 程序：由一条条指令组成。程序存储在内存中。
• 指令：指示计算机要做什么。
  • 如下图所示是一张指令表，假设 8 位指令，前 4 位代表操作码，指向相应的指令；后 4 位代表数据来自哪里，可以是寄存器或内存地址。

• CPU的功能：中央处理单元，与RAM配合，负责执行程序。
  • 数学指令（eg. 加/减）：CPU 让 ALU 进行数学运算
  • 内存指令：CPU 和内存进行通信，然后读/写值
• 微体系架构：把重点放在功能，而不是一根根线具体怎么连，当我们用一条线连接两个组件时，这条线只是所有必须线路的一个抽象，这种高层次视角叫 “微体系架构“。

CPU的组成

• 寄存器：用来 临时存数据 和 操作数据
  • 通用寄存器：存储任意数据
  • 指令地址寄存器/指令计数器：存放当前指令的内存地址（追踪程序运行到哪里了）。能自动形成下一条指令的地址（+1）
  • 指令寄存器：存储指令
  • … …
• 运算器 ALU：负责算数和逻辑运算
• 控制器/控制单元：控制整个 CPU 的工作，保证 程序的正确执行 以及 能够处理异常事件。
  • eg. 指令解码由控制单元的逻辑电路完成。
  • 包含 指令地址寄存器 和 指令寄存器 等。
• 时钟：负责管理CPU的节奏
  • 时钟以精确的间隔触发电信号，控制单元会用这个信号，推进 CPU 的内部操作，确保一切按步骤进行。
  • CPU “取指令→解码→执行” 中每一步的时间为一个周期，每一步的速度叫 “时钟速度“，单位是赫兹，代表 多少个周期每秒。
    • eg. 6 分钟 4 条指令，每条指令包含取指令、解码、执行这 3 个周期，则时钟速度为 4 × 3 / 360 = 0.033 赫兹
  • 超频：加快时钟速度，提升性能
  • 降频：减慢时钟速度，省电
  • 动态调整频率：很多现代处理器可以按需求 加快或减慢时钟速度

将以上组件提升一层新的抽象，变成一个独立的 CPU 组件，如下图所示。
RAM 是在 CPU 外面的独立组件，CPU 和 RAM 之间用 “地址线” “数据线” 和 “允许读/写线” 进行通信。

CPU 执行指令的流程

取指令阶段 FETCH PHASE

取指令阶段负责拿到指令。

• 首先，指令地址寄存器连接到 RAM
• 若当前指令地址寄存器中存储的指令地址为address，则RAM返回address对应的值（指令），并复制到指令寄存器
  • 如下图所示，初始时，各个寄存器初始值都为0，因此RAM返回地址0对应的值。

解码阶段 DECODE PHASE

• 将指令寄存器中的指令参照指令表
  • 这里的例子，指令前四位代表操作码，后四位代表数据来源（内存或寄存器地址）

• 指令解码由控制器进行。可通过简单的逻辑门电路对指令进行解码，如下图所示。不同的指令由不同的逻辑电路解码。

执行阶段 EXECUTE PHASE

以指令 0010 1110 为例，该指令操作码是0010，解码为 LOAD_A 指令：

• 用”检查是否 LOAD_A 指令的电路”，可以打开 RAM 的 “允许读取线”
• 把地址 14（1110） 传给 RAM
• 用 “检查是否 LOAD_A 指令的电路” 启用寄存器 A 的 “允许写入线”
• 把 RAM 地址 14 的值存储到寄存器A中
• 指令执行结束，指令地址寄存器中的地址 +1

以指令 1000 0100 为例，该指令操作码是1000，解码为 ADD 指令；第一个地址是 01, 代表寄存器B，第二个地址是 00, 代表寄存器A。该指令代表把寄存器 B 的值，加到寄存器 A 里：

• 启用寄存器 B（寄存器地址01），作为 ALU 的第一个输入
• 启用寄存器 A（寄存器地址00），作为 ALU 的第二个输入
• 传递 ADD 操作码给 ALU，使 ALU 明确其要进行的是加法操作
• 控制单元用一个自己的寄存器暂时保存结果 0001 0001（3+4=17）
• 关闭 ALU，然后把值写入正确的寄存器 A 。（先保存到控制单元的临时寄存器，关闭ALU后再写入寄存器A，否则会不断和自己相加）
• 指令地址 + 1

以指令 0100 1101 为例，该指令操作码是0100，解码为 STORE_A 指令：

• 打开 RAM 的允许写入线
• 把地址 13（1101） 传给 RAM
• 打开寄存器 A 的 “允许读取线”
• 把寄存器 A 里的值，传给 RAM，保存到 RAM 地址 13
• 指令地址 + 1