CPU 的內部結構

       說了這么多 CPU 的重要性，那么 CPU 的內部結構是什么呢？又是由什么組成的呢？下圖展示了一般程序的運行流程（以 C 語言為例），可以說了解程序的運行流程是掌握程序運行機制的基礎和前提。

程序編譯執行的過程

       在這個流程中，CPU 負責的就是解釋和運行最終轉換成機器語言的內容。

       CPU 主要由兩部分構成：控制單元 和 算術邏輯單元（ALU）

       控制單元：從內存中提取指令并解碼執行

       算數邏輯單元（ALU）：處理算數和邏輯運算

       CPU 是計算機的心臟和大腦，它和內存都是由許多晶體管組成的電子部件。它接收數據輸入，執行指令并處理信息。它與輸入/輸出（I / O）設備進行通信，這些設備向 CPU 發送數據和從 CPU 接收數據。

       從功能來看，CPU 的內部由寄存器、控制器、運算器和時鐘四部分組成，各部分之間通過電信號連通。

CPU內部結構圖

       寄存器是中央處理器內的組成部分。它們可以用來暫存指令、數據和地址。可以將其看作是內存的一種。根據種類的不同，一個 CPU 內部會有 20 - 100個寄存器。

       控制器負責把內存上的指令、數據讀入寄存器，并根據指令的結果控制計算機運算器負責運算從內存中讀入寄存器的數據時鐘負責發出 CPU 開始計時的時鐘信號。

       接下來簡單解釋一下內存，為什么說 CPU 需要講一下內存呢，因為內存是與 CPU 進行溝通的橋梁。計算機所有程序的運行都是在內存中運行的，內存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲設備交換的數據。只要計算機在運行中，CPU 就會把需要運算的數據調到主存中進行運算，當運算完成后CPU再將結果傳送出來，主存的運行也決定了計算機的穩定運行。

       主存通過控制芯片與 CPU 進行相連，由可讀寫的元素構成，每個字節（1 byte = 8 bits）都帶有一個地址編號，注意是一個字節，而不是一個位。CPU 通過地址從主存中讀取數據和指令，也可以根據地址寫入數據。注意一點：當計算機關機時，內存中的指令和數據也會被清除。

CPU 是寄存器的集合體

        在 CPU 的四個結構中，我們程序員只需要了解寄存器就可以了，其余三個不用過多關注，為什么這么說？因為程序是把寄存器作為對象來描述的。

       說到寄存器，就不得不說到匯編語言，我大學是學信息管理與信息系統的，我就沒有學過匯編這門課（就算有這門課也不會好好學hhhh），出來混總是要還的，要想作為一個硬核程序員，不能不了解這些概念。說到匯編語言，就不得不說到高級語言，說到高級語言就不得不牽扯出語言這個概念。

計算機語言

       我們生而為人最明顯的一個特征是我們能通過講話來實現彼此的交流，但是計算機聽不懂你說的話，你要想和他交流必須按照計算機指令來交換，這就涉及到語言的問題，計算機是由二進制構成的，它只能聽的懂二進制也就是機器語言，但是普通人是無法看懂機器語言的，這個時候就需要一種電腦既能識別，人又能理解的語言，最先出現的就是匯編語言。但是匯編語言晦澀難懂，所以又出現了像是 C，C++，Java 的這種高級語言。

       所以計算機語言一般分為兩種：低級語言（機器語言，匯編語言）和高級語言。使用高級語言編寫的程序，經過編譯轉換成機器語言后才能運行，而匯編語言經過匯編器才能轉換為機器語言。

匯編語言

首先來看一段用匯編語言表示的代碼清單

mov eax, dword ptr [ebp-8] /* 把數值從內存復制到 eax */

add eax, dword ptr [ebp-0Ch] /* 把 eax 的數值和內存的數值相加 */

mov dword ptr [ebp-4], eax /* 把 eax 的數值（上一步的結果）存儲在內存中*/

       這是采用匯編語言（assembly）編寫程序的一部分。匯編語言采用 助記符(memonic) 來編寫程序，每一個原本是電信號的機器語言指令會有一個與其對應的助記符，例如 mov,add 分別是數據的存儲（move）和相加（addition）的簡寫。匯編語言和機器語言是一一對應的。這一點和高級語言有很大的不同，通常我們將匯編語言編寫的程序轉換為機器語言的過程稱為 匯編；反之，機器語言轉化為匯編語言的過程稱為反匯編。

       匯編語言能夠幫助你理解計算機做了什么工作，機器語言級別的程序是通過寄存器來處理的，上面代碼中的 eax,ebp 都是表示的寄存器，是 CPU 內部寄存器的名稱，所以可以說 CPU 是一系列寄存器的集合體。在內存中的存儲通過地址編號來表示，而寄存器的種類則通過名字來區分。

       不同類型的 CPU ，其內部寄存器的種類，數量以及寄存器存儲的數值范圍都是不同的。不過，根據功能的不同，可以將寄存器劃分為下面這幾類

       種類功能累加寄存器存儲運行的數據和運算后的數據。標志寄存器用于反應處理器的狀態和運算結果的某些特征以及控制指令的執行。程序計數器程序計數器是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。基址寄存器存儲數據內存的起始位置變址寄存器存儲基址寄存器的相對地址通用寄存器存儲任意數據指令寄存器儲存正在被運行的指令，CPU內部使用，程序員無法對該寄存器進行讀寫棧寄存器存儲棧區域的起始位置

       其中程序計數器、累加寄存器、標志寄存器、指令寄存器和棧寄存器都只有一個，其他寄存器一般有多個。

程序員眼中的CPU

程序計數器

       程序計數器(Program Counter)是用來存儲下一條指令所在單元的地址。程序執行時，PC的初值為程序第一條指令的地址，在順序執行程序時，控制器首先按程序計數器所指出的指令地址從內存中取出一條指令，然后分析和執行該指令，同時將PC的值加1指向下一條要執行的指令。

       我們還是以一個事例為準來詳細的看一下程序計數器的執行過程

內存中配置程序示例

       這是一段進行相加的操作，程序啟動，在經過編譯解析后會由操作系統把硬盤中的程序復制到內存中，示例中的程序是將 123 和 456 執行相加操作，并將結果輸出到顯示器上。由于使用機器語言難以描述，所以這是經過翻譯后的結果，實際上每個指令和數據都可能分布在不同的地址上，但為了方便說明，把組成一條指令的內存和數據放在了一個內存地址上。

       地址 0100 是程序運行的起始位置。Windows 等操作系統把程序從硬盤復制到內存后，會將程序計數器作為設定為起始位置 0100，然后執行程序，每執行一條指令后，程序計數器的數值會增加1（或者直接指向下一條指令的地址），然后，CPU 就會根據程序計數器的數值，從內存中讀取命令并執行，也就是說，程序計數器控制著程序的流程。

 條件分支和循環機制

       我們都學過高級語言，高級語言中的條件控制流程主要分為三種：順序執行、條件分支、循環判斷三種，順序執行是按照地址的內容順序的執行指令。條件分支是根據條件執行任意地址的指令。循環是重復執行同一地址的指令。

       順序執行的情況比較簡單，每執行一條指令程序計數器的值就是 + 1。

       條件和循環分支會使程序計數器的值指向任意的地址，這樣一來，程序便可以返回到上一個地址來重復執行同一個指令，或者跳轉到任意指令。

       下面以條件分支為例來說明程序的執行過程（循環也很相似）

條件循環的執行流程

       程序的開始過程和順序流程是一樣的，CPU 從0100處開始執行命令，在0100和0101都是順序執行，PC 的值順序+1，執行到0102地址的指令時，判斷0106寄存器的數值大于0，跳轉（jump）到0104地址的指令，將數值輸出到顯示器中，然后結束程序，0103 的指令被跳過了，這就和我們程序中的 if() 判斷是一樣的，在不滿足條件的情況下，指令會直接跳過。所以 PC 的執行過程也就沒有直接+1，而是下一條指令的地址。

標志寄存器

       條件和循環分支會使用到 jump（跳轉指令），會根據當前的指令來判斷是否跳轉，上面我們提到了標志寄存器，無論當前累加寄存器的運算結果是正數、負數還是零，標志寄存器都會將其保存（也負責溢出和奇偶校驗）

       溢出（overflow）：是指運算的結果超過了寄存器的長度范圍

       奇偶校驗（parity check）：是指檢查運算結果的值是偶數還是奇數

       CPU 在進行運算時，標志寄存器的數值會根據當前運算的結果自動設定，運算結果的正、負和零三種狀態由標志寄存器的三個位表示。標志寄存器的第一個字節位、第二個字節位、第三個字節位各自的結果都為1時，分別代表著正數、零和負數。

比較運算的標志寄存器示意圖

       CPU 的執行機制比較有意思，假設累加寄存器中存儲的 XXX 和通用寄存器中存儲的 YYY 做比較，執行比較的背后，CPU 的運算機制就會做減法運算。而無論減法運算的結果是正數、零還是負數，都會保存到標志寄存器中。結果為正表示 XXX 比 YYY 大，結果為零表示 XXX 和 YYY 相等，結果為負表示 XXX 比 YYY 小。程序比較的指令，實際上是在 CPU 內部做減法運算。

函數調用機制

       接下來，我們繼續介紹函數調用機制，哪怕是高級語言編寫的程序，函數調用處理也是通過把程序計數器的值設定成函數的存儲地址來實現的。函數執行跳轉指令后，必須進行返回處理，單純的指令跳轉沒有意義，下面是一個實現函數跳轉的例子

程序調用示意圖

       圖中將變量 a 和 b 分別賦值為 123 和 456 ，調用 MyFun(a,b) 方法，進行指令跳轉。圖中的地址是將 C 語言編譯成機器語言后運行時的地址，由于1行 C 程序在編譯后通常會變為多行機器語言，所以圖中的地址是分散的。在執行完 MyFun(a,b)指令后，程序會返回到 MyFun(a,b) 的下一條指令，CPU 繼續執行下面的指令。

       函數的調用和返回很重要的兩個指令是 call 和 return 指令，再將函數的入口地址設定到程序計數器之前，call 指令會把調用函數后要執行的指令地址存儲在名為棧的主存內。函數處理完畢后，再通過函數的出口來執行 return 指令。return 指令的功能是把保存在棧中的地址設定到程序計數器。MyFun 函數在被調用之前，0154 地址保存在棧中，MyFun 函數處理完成后，會把0154的地址保存在程序計數器中。這個調用過程如下

函數調用中程序計數器和棧的職能

       在一些高級語言的條件或者循環語句中，函數調用的處理會轉換成 call 指令，函數結束后的處理則會轉換成 return 指令。

通過地址和索引實現數組

       接下來我們看一下基址寄存器和變址寄存器，通過這兩個寄存器，我們可以對主存上的特定區域進行劃分，來實現類似數組的操作，首先，我們用十六進制數將計算機內存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來。那么，凡是該范圍的內存地址，只要有一個 32 位的寄存器，便可查看全部地址。但如果想要想數組那樣分割特定的內存區域以達到連續查看的目的的話，使用兩個寄存器會更加方便。

       例如，我們用兩個寄存器（基址寄存器和變址寄存器）來表示內存的值

基址寄存器和變址寄存器

       這種表示方式很類似數組的構造，數組是指同樣長度的數據在內存中進行連續排列的數據構造。用數組名表示數組全部的值，通過索引來區分數組的各個數據元素，例如: a[0] - a[4]，[]內的 0 - 4 就是數組的下標。

CPU 指令執行過程

       那么 CPU 是如何執行一條條的指令的呢？

       幾乎所有的馮·諾伊曼型計算機的CPU，其工作都可以分為5個階段：取指令、指令譯碼、執行指令、訪存取數、結果寫回。

       取指令階段是將內存中的指令讀取到 CPU 中寄存器的過程，程序寄存器用于存儲下一條指令所在的地址

       指令譯碼階段，在取指令完成后，立馬進入指令譯碼階段，在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區分出不同的指令類別以及各種獲取操作數的方法。

       執行指令階段，譯碼完成后，就需要執行這一條指令了，此階段的任務是完成指令所規定的各種操作，具體實現指令的功能。

       訪問取數階段，根據指令的需要，有可能需要從內存中提取數據，此階段的任務是：根據指令地址碼，得到操作數在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數用于運算。

       結果寫回階段，作為最后一個階段，結果寫回（Write Back，WB）階段把執行指令階段的運行結果數據“寫回”到某種存儲形式：結果數據經常被寫到CPU的內部寄存器中，以便被后續的指令快速地存取；

總結

本篇文章我們主要講述了

CPU 是什么，CPU 的重要性，CPU 執行程序的過程

還講述了 CPU 的內部結構，它的組成部分

提到了匯編語言和高級語言

提到了CPU 與 寄存器的關系

提到了主要的寄存器的功能，程序計數器，標志寄存器，基址寄存器和變址寄存器

還提到了函數調用機制是怎樣的。

CPU 指令的執行過程