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「计算机基础」CPU 工作原理

 

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。

  • 控制器:主要是对指令进行译码。
  • 运算器:主要是执行定点或者浮点运算等。
  • 寄存器:主要功能是保存计算的中间结果

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。

启动

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

中断类型号

响应指令的地址

0x01

地址A

0x02

地址B

……

……

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。

运行程序

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程序计数器

  • 寄存器:工作现场,包括一些计算的中间结果
  • 程序计数器:要执行的下一条指令的地址。

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。

性能参数

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。

指令集

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。

处理技术

本章主要介绍一下CPU体系架构里面常用的技术

流水线

每条指令都会经过取指(Fetch),译码(D1, main decode),转址(D2, translate),执行(EX, execute),写回(WB)结果等步骤。

那么当CPU预取完毕,进行译码的时候,预取部分的电路单元其实是空闲的。那么能不能让下一条指令进来执行预取的过程呢?答案是完全可以。

如下图所示,我们可以每过一个周期放入一条指令,这样在第5个时刻,最开始放入的指令其实已经执行到了最后一步WB了,第2条进入执行的指令比它晚一拍,执行到了EX上,其他的一次类推。

这样不断的有新的指令进入,同一时刻5条指令都在执行,只是说他们执行的阶段不一样。这样就实现了并行处理。

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