「计算机基础」CPU 工作原理

互推小编 2023-08-08

在之前的文章《「计算机基础」CPU是怎么制造出来的》介绍了如何制造CPU，那么它是如何工作的呢？本文由CPU阿甘改编而得，主要讲的是系统启动和程序执行时CPU做的工作。

CPU的构成

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）由运算器、控制器、Cache等。

可以看出CPU的主要功能是接收指令，执行指令。不过CPU不能保存指令。

最大的优点在于速度快，以ns为单位，内存比它慢了100倍，硬盘比它慢了1000多万倍。

下面我们主要介绍一下计算机从加电到加载操作系统中，CPU主要做了什么事情。

当计算机上电了以后，CPU就先会执行内存最顶端的指令，现是一条跳转指令，所以会去执行BIOS里面的代码。

我们知道BIOS的主要功能是系统自检，看看内存、硬盘、显卡等是否有问题。自检完成以后，会产生中断，BIOS会告诉CPU是多少号中断。

中断了以后，CPU怎么知道去哪里执行响应中断的指令呢？我们可以用一张表来保存中断指令的响应代码，但是为了让这张表不那么臃肿，可以让这张表只保存响应代码的入口地址。

比如

这张表就称为中断向量表，保存的是响应中断的指令的入口地址，类似于响应代码的房间号。

CPU可以通过中断向量表查找到对应的指令，这条指令的目的是把磁盘的第一扇区（磁盘的BIOS）运到内存中。

到目前为止，硬件的初始化就完成了，下面应该加载操作系统。

操作系统加载入内存中以后，会接管整个系统的管理工作。

下面我们来谈一下如何运行程序。

首先操作系统会为CPU分配进程，不过对CPU而言，它只关心自己的寄存器和程序计数器

要运行程序，首先需要从硬盘上加载程序。但是从硬盘上读程序实在太慢，CPU没有必要一直等着它，完全可以异步处理。

硬盘把返回的数据通过直接内存访问（DMA）把数据装载到内存中。这样CPU就解放出来，切换到另一个进程里面，当然相关的运行环境（寄存器、程序计数器）发生了改变。

但是上一个进程不可能放弃不执行了吧，所以等到当上一个进程的数据已经装载到了内存以后，CPU会收到一个中断，这样就可以切换回去了。

总结一下CPU的主要工作是，从内存中取出指令，进行译码，分解成为一系列的微操作，然后发出各种控制命令。

对CPU而言，主要关心的是它的寄存器和程序计数器，其中寄存器保存了计算的中间结果，而程序计数器可以用告诉CPU下一条指令去那里执行。

CPU的主要性能参数有：

主频：表示CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与实际的运算速度没有直接的联系，比如1GHz的Itanium芯片与2.66GHz的至强芯片一样快，因为CPU的运算速度除了有主频的因素，还有CPU的流水线、总线等各方面的影响。
外频：CPU的基准频率，MHz，可以决定主板的运行速度，如果把CPU超频了，可以CPU与主板会异步运行，所以整个系统有可能不稳定，一般来说服务器CPU不允许超频。
总线频率：指的是前端总线的频率，而前端总线指的是CPU与北桥之间的总线。
那么总线频率其实直接影响CPU与内存的之间的交互速率，即每秒CPU能接收的数据传输量。这点与外频不一样，外频是整块主板的运行速度。
Cache：因为CPU与内存之间存在速度差，同时我们发现程序的加载有局部性的特点，也就是说一个内存位置被访问了，附近的位置很快也会访问到。那么我们完全可以把内存中的部分代码提前加载到Cache里面。
既然Cache的主要作用是CPU与内存的缓冲层，那么Cache的速度应该接近于CPU，基本上是与CPU同频运作。
缓存都集成在CPU芯片上，而CPU单位面积的价格很昂贵，Cache一般都很小。

我们知道CPU的主要功能是解析指令，执行指令，也就是说CPU是靠一条一条的指令来计算和控制整个系统的。

也就是说不管是什么CPU，都有与之相匹配的指令系统。常用的指令集有两种

复杂指令集：一般来说程序的指令是按照顺序串行执行的，而指令中的各个操作也是串行执行的。这样控制简单，但是利用率不高。
x86架构的CPU主要使用的就是复杂指令集，AMD属于后起之秀，所以一定会兼容x86架构，它也是复杂指令架构的。
精简指令集：
复杂指令集最大的缺点在于微处理器太过复杂，所以研发成本高。而精简指令集，顾名思义，其指令系统得到大量的精简，而且指令格式统一，所以可以使用流水线结构，处理速度就上去了。
服务器中采用RSIC指令的CPU主要有：PowerPC、MIPS处理器。