CPU内部结构及工作原理

本文主要是针对非计算机行业或是计算机小白，主要介绍了计算机是如何工作的，为什么写一下代码，计算机就可以实现我们想要实现的功能。

CPU如何运作
CPU内部的算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）是处理器最核心的部件，相当于CPU的大脑。理解了ALU的工作流程基本上也就理解了计算机的工作流程。ALU由算术单元和逻辑单元组成，算术单元主要负责数学运算，如加、减、乘等；逻辑单元主要负责逻辑运算，如与、或、非等。ALU只是纯粹的运算单元，要想完成一个指令运行的整个流程，还需要控制单元的协助。控制单元根据程序计数器PC中的地址，会不断地从内存RAM中取指令，放到指令寄存器中并进行译码，将指令中的操作码和操作数分别送到ALU，执行相应的运算。

示例
以两个整数A、B相加的指令为例，控制单元通过指令译码电路会将该指令分解为操作码和操作数，再根据操作数地址从内存RAM中加载（Load）数据A和B，传送到ALU的输入端，然后将操作运算类型（操作码）即加法也告诉ALU。ALU有了输入数据和操作类型，就可以直接进行相应的运算了，并输出运算结果。为了效率考虑，运算结果一般会先保存到寄存器中，然后由控制单元将该数据从寄存器存储（Store）到内存RAM中。执行到这一步，一个完整的加法指令执行流程结束，控制单元会继续取下一条指令，然后翻译指令、运行指令，周而复始。CPU内部有个程序计数器（Program Counter，PC），系统上电后默认初始化为0，控制单元会根据这个PC寄存器中的地址到对应的内存RAM中取指令，然后PC寄存器中的地址自动加一。通过这种操作，控制单元就可以不停地从内存RAM中取指令、翻译指令、运行指令，程序就可以源源不断地运行下去了。

早期CPU的工作频率和内存RAM相比，差距不是一般的大。控制单元从RAM中加载数据到CPU，或者将CPU内部的数据存储到RAM中，一般要经过多个时钟读写周期才能完成：找地址、取数据、配置、输出数据等。运算速度再快的CPU，也只能傻傻地干等几个时钟周期，等数据传输成功后才可以接着执行下面的指令。内存带宽的瓶颈会拖CPU的后腿，影响CPU的性能。为了提高性能，防止RAM拖后腿，CPU一般都会在内部配置一些寄存器，用来保存CPU在计算过程中的各种临时结果和状态值。ALU在运算过程中，当运算结果为0、为负、数据溢出时，也会有一些Flags标志位输出，这些标志位对控制单元特别有用，如一些条件跳转指令，其实就是根据运算结果的这些标志位进行跳转的。CPU跳转指令的实现其实也很简单：根据ALU的运算结果和输出的Flags标志位，直接修改PC寄存器的地址即可，控制单元会自动到PC指针指向的内存地址取指令、翻译指令和运行指令。跳转指令的实现，改变了程序按顺序逐步执行的线性结构，可以让程序执行更加灵活，可以实现更加复杂的程序逻辑，如程序的分支结构、循环结构等。

CPU所支持的加、减、乘、与、或、非、跳转、Load/Store、IN/OUT等基本指令，一般称为指令集。任何复杂的运算都可以分解为指令集中的基本指令。在软件层面上，我们可以把这些有限的基本指令进行不同的组合，实现各种不同的功能：播放视频、播放音乐、图片显示、网络传输。我们也可以基于这些基本指令实现新的指令，以除法运算为例，如果CPU在硬件电路上不支持除法指令，我们就可以基于CPU指令集中的原生加、减、移位等指令来模拟除法的实现，生成新的除法指令。

这种由基本指令组成的不同组合，我们称为程序。为了编程方便，我们给每个二进制指令起一个别名，使用一个助记符表示，这些助记符就是汇编语言，由助记符组成的指令序列就是汇编程序。汇编语言的可读性虽然比二进制的机器指令好了很多，但是当汇编程序很大、程序的逻辑很复杂时，维护也会变得无比艰难，这时候高级语言就开始问世了，如C、C++、Java等。高级语言的读写更符合人类习惯，更适合开发和阅读，编写好的高级语言程序通过编译器，就可以翻译成CPU所能识别的二进制机器指令。

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