初步了解CPU
了解CPU
By JackKing_defier
首先说明一下,本文内容主要是简单说明CPU的大致原理,所需要的前提知识我会提出,但是由于篇幅我不会再详细讲解需要的其他基础知识。默认学过工科基础课。
一、总述
先从计算机的结构说起,在现代计算机中,CPU是核心,常常被比喻为人的大脑。现在的计算机都为“冯·诺依曼机”,“冯诺依曼机”的一个显著的特点就是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。CPU是运算器和控制器合起来的统称,因为运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密,尤其在大规模集成电路制作工艺出现之后,所以这两个部件就集成在同一芯片上。
了解CPU怎么工作就转化为了解运算器和控制器的作用和功能。
二、CPU的运算
运算器由ALU(算术逻辑单元)和若干通用寄存器组成。//寄存器需要数字逻辑知识
ALU即为一个芯片,有相应的输入,会给出相应的输出,由逻辑运算功能表可确定不同针脚会有的相应的运算输出。//这里可以类比于数字逻辑中的74LS138芯片,只不过74181给出的是相应输入的运算结果。
在这里我想到,很多同学并没有学习过数字逻辑这门课,简单介绍一下。我们高中物理就学过“与门”、“或门”和“非门”,也就是通过电路可以实现逻辑上的“与”、“或”和“非”运算。同时呢,有一个门叫做“与非门”,也就是A和B先做与运算,再做非运算取反。通过布尔代数的运算法则可以把所有“门”的运算都用“与非门”表示出来,也就是等价变换。这样我们就有了异或、同或、或非等各种门电路。
通过若干个输入的信号通过各种门电路之后会产生一个或多个结果,满足我们需要的功能。比如加法器、移位器、触发器、寄存器、译码器。
ALU就是这样一个满足我们运算功能的部件。由于ALU功能很多,你可以理解为能做各种基本算术运算和基本逻辑运算。
说到现在,你现在应该清楚CPU内部有一个专职做运算的部件ALU了,而且由电路就可以实现。用电路可以很方便地表达出二进制信息,比如高电平为“1”,低电平为“0”。CPU处理的数据都为二进制,可以通过原码、反码和补码完成加减乘除运算,这样就把一切运算通过电路实现。
三、指令系统
机器能做解题的运算是因为人们利用了机器语言,机器语言能被机器自身识别,同时也可以被人理解。机器语言是由一条条语句构成的,每一条语句有一定的含义。比如,它可以规定机器做什么操作,指出参与操作的数或其他信息在什么地方等。我们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令,全部机器指令系统的集合称为机器的指令系统。计算机的设计者主要研究如何确定机器的指令系统,如何用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。计算机使用者则是依据指令系统,使用汇编语言来编制各种程序。
上面一段话的内容也就是说:我们利用计算机做的所有操作,本质上都被还原成一个个指令。
指令是由操作码和地址码组成的。也就是分为不同的字段。操作码来指明要进行的操作,地址码来指出该指令的源操作数的地址、结果的地址以及下一条指令的地址。(这里又涉及到指令的格式,指令以及数据的寻址方式等,容易绕而且限于篇幅,略)一条指令包含的信息:它是干什么的,它需要的参数在哪里。
指令存储在存储器中,也就是我们平常说的内存。
四、CPU的控制器
在第二小节中,我说了CPU的运算,这一段主要阐述CPU的控制。CPU的实质包含运算器和控制器两部分。对于冯·诺依曼结构的计算机来说,一旦程序放入存储器后,就可以通过计算机自动完成取指令和分析指令的任务,控制器就是专门做这个工作的。它负责协调并且控制计算机各部件执行程序的指令序列,其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。
取指令,控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。
分析指令,第一,要分析完成什么操作,即为控制器需要发出什么样的操作命令;第二要分析参与这次操作的操作数的有效地址。
执行指令,这一阶段就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求,形成操作控制信号序列(不同的指令有不同的操作控制信号序列),通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作,执行每一条指令。
除此之外,控制器还有其它控制的功能,全部罗列会让人头大。简短地讲,就是控制!
根据上文的内容,可以得出CPU必须有的功能:
- 指令控制,控制程序的顺序执行。//程序运行时,指令一般是顺序执行的。
- 操作控制,产生完成每条指令所需的控制命令。//根据指令的要求对硬件产生操作控制信号序列,通俗来讲,就是把指令转化为对硬件的直接操作。
- 时间控制,对各种操作加以时间上的控制。//计算机的操作对时间比较敏感,后面会提到周期的概念。
- 数据加工,对数据进行算数运算和逻辑运算。//这里主要是靠ALU。
- 处理中断,//即为CPU被打断的操作,后面会提到中断,在CPU也是挺重要的一个概念。
五、CPU的结构
根据前面提到的CPU必须有的功能,要取指令,必须有一个寄存器专用存放当前指令的地址,告诉你从哪里取出现在需要执行的指令;要分析指令,必须有存放当前指令的寄存器和对指令操作码进行译码的部件,即为分析出这一个指令对应着什么操作,需要干什么;要执行指令,必须有一个能够发出各种操作命令序列的控制部件CU;要完成算术运算和逻辑运算,必须要有存放操作数的寄存器和实现运算的部件ALU;为了处理一些异常情况和特殊请求,还需要有中断系统。
CPU主要由四大部分组成:ALU、CU、寄存器、中断系统。
在数字逻辑中学到,寄存器就可以存放二进制信息。CPU中一些主要的寄存器和它们的功能:
- MAR:存储器地址寄存器,用于存放将要被访问的存储单元的地址。
- MDR:存储器数据寄存器,用于存放数据。这些数据将要被存放到存储单元或者刚从存储单元中读出。
- PC:程序计数器,存放现行指令的地址,有计数功能。//一般下一条指令地址就是PC+1,即为顺序执行。直接修改这个值就是转移类指令,跳转到其他位置继续执行。
- IR:指令寄存器,存放当前将要执行的指令。
主要通过这四个寄存器,CPU就可以和主存交换信息。//因为程序以及程序需要的数据都存在主存中。
这里可以举例,CPU从主存中取指令的通路。/MM代表存储器/
取指令:PC–>MAR–>MM–>MDR–>IR
解释:PC中存储着我们将要执行的指令的地址,将现行指令地址存入地址寄存器MAR,然后进行命令存储器读操作,现行指令从存储器中读到数据寄存器MDR中,再将现行指令从MDR送至指令寄存器IR,接下来就进行译码执行部分了,后面根据指令的操作码,由CU译码去执行。
控制单元CU提供微操作命令序列,以完成计算机的全部指令操作。
六、指令周期
CPU取出并执行一条指令所需的时间称为指令周期,也就是CPU完成一条指令的时间。
指令周期简单来讲,分为两个阶段:取指周期和执行周期。
大多数情况下,CPU就是“取指–执行–取指–执行·······”的顺序自动工作。刚才提到过取指令的通路,所有的指令取指令都是这个通路,所以取指周期都相同。根据指令情况,执行周期长短不一,有的甚至没有,直接就是转移指令。
这里要提到一个比较重要的概念:中断
中断比较好理解,就是CPU执行过程中被打断。这里面讲太细了就太多了。我可以用我的语言通俗地让你理解一下:这就好比你去网吧上网,是按照时间计费的,这个时间可以理解为指令周期。在你还正玩着的时候,有人不小心把网线拔了,你就得中断,你得去把网线插好继续玩。这里面就涉及到你得保留之前的位置,不要被别人占了,游戏不退出,让你能够在处理完之后还能继续玩。由于你也比较喜欢玩这个游戏,一般的事情是叫不动你的,这时候哥们叫你去打球,你就说正忙着呢,打完游戏再去打球。这个就说明有个优先级排序,打球的优先级不如玩游戏,所以你屏蔽掉了这个可以干扰你的中断,继续你目前的操作,去玩游戏。
因为在CPU中也会被各种情况打断,可以软件调控的就按照规矩来了,如果是断电什么的,那就是不可操作的了。
在周期这一块有很多划分和概念,比如机器周期,节拍周期等。不说太多,怕你绕。
你就可以理解为一点,CPU对时间把控的很紧,一切按照时间步骤来。
七、FINAL
CPU部件之间传输数据也是依靠总线,总线扩展也很多,你可以简单理解为传输数据。
这里面有很多我都没细说,细说肯定扯不完,因为我一开始写就发现,这其中都是有联系的,我不可能只说一部分,所以基本就把计算机组成原理都说了一下,CPU是计算机的核心,CPU是怎么工作的,详细内容还是来自《计算机组成原理》。
我回顾了一下,我貌似就是把这本教材极致简化了,很多都是一笔带过,不过可以作为非计算机专业同学去初步了解CPU的文章。
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