科普 | CPU 是如何工作的？

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CPU（中央處理器），也被稱為微處理器，是計算機的心髒和/或大腦。本文讓我們一起深入了解計算機的核心，以幫助我們高效地編寫計算機程式。

作者 | Milap Neupane

譯者 | 蘇本如，責編 | 屠敏

以下為譯文：

“工具通常比機器簡單，通常用手來使用，而機器通常由動物或蒸汽動力驅動。”

——查爾斯·巴貝奇

計算機是一種機器，主要由電力驅動，但其靈活性和可程式設計性幫助實作了其作為一種工具的簡單性。

CPU是計算機的心髒和/或大腦。負責執行提供給它們的指令。它的主要任務是執行算術和邏輯運算，并将指令協調在一起。在深入到本文的主要部分之前，讓我們先看看CPU的主要組成部分，以及它們的作用分别是什麼。

CPU的兩個主要組成部分

控制單元 — CU

控制單元（CU）是CPU的一部分，它幫助協調指令的執行。它告訴CPU應該做什麼。它的主要職責是根據指令，幫助激活連接配接CPU和計算機其他不同部件（包括ALU）的線路。控制單元是CPU的第一個接收處理指令的部件。

控制單元有兩種類型：

硬接線控制單元。

微型可程式設計（微程式設計）控制單元。

硬接線控制單元是一種硬體，它需要在硬體上進行更改以實作對其工作方式的修改，而微型可程式設計控制單元則可以進行程式設計以更改其工作方式。硬接線控制單元在處理指令方面更快，而微型可程式設計控制單元則更靈活。

算術邏輯單元 —  ALU

算術邏輯單元（ALU），顧名思義，就是負責所有的算術和邏輯運算。算術邏輯單元執行加法運算，減法運算等操作。算術邏輯單元是由執行這些操作的邏輯電路或邏輯門組成。

大多數邏輯門接受兩個輸入并産生一個輸出。

下面是一個半加法器電路的例子，它接受兩個輸入并輸出結果。這裡A和B是輸入，S是輸出，C是進位。   

半加法器電路圖

存儲 - 寄存器和存儲器

CPU的主要任務是執行提供給它的指令。在大多數情況下，為了處理這些指令，它需要資料。有些資料是中間資料，有些是輸入，另一些是輸出。這些資料連同指令一起存儲在下列存儲器中：

寄存器

寄存器是一組可以存儲資料的小地方。寄存器是鎖存器（Latches）的組合。鎖存器也稱為觸發器（flip-flops），是存儲1位資訊的邏輯門的組合。

鎖存器有一條輸入線，一條寫入和輸入線，和一條輸出線。我們可以啟用寫入線對存儲的資料進行更改。當寫入線被禁用時，輸出始終保持不變。

SR鎖存器，由一對交叉耦合的或非門(NOR Gates)構成。

CPU由寄存器來存儲輸出資料。由于是中間資料，它們被發送到主存儲器（RAM）的速度會慢。這些資料被發送到由總線連接配接的其它寄存器。寄存器可以存儲指令、輸出資料、存儲位址或任何類型的資料。

存儲器(RAM)

RAM - 随機存取存儲器是寄存器的集合，它們以優化的方式排列和壓縮在一起，以便存儲更多的資料。随機存取存儲器（RAM）是易失性的，當我們關閉電源時，它存儲的資料會丢失。由于RAM是用于讀/寫資料的寄存器的集合，是以RAM可以用于存儲8位位址的輸入、用于存儲實際資料的資料輸入，和用于儲存最後的和鎖存器一樣工作的讀寫啟用碼。

什麼是指令

指令是計算機可以執行的最小粒度運算。CPU可以處理各種類型的指令

指令類型包括：

算術運算指令，如加法和減法運算

邏輯運算指令，如邏輯與（AND）、邏輯或（OR）和邏輯非（NOT）運算

資料傳送指令，如資料移動、輸入、輸出、加載和存儲

程式控制指令，如條件/無條件轉移指令（if…goto，goto），轉子指令和轉移指令（call，return）

通知CPU程式已結束的Halt指令

指令通過以下方式提供給計算機：使用彙編語言直接提供，或由編譯器生成，或用某些進階語言解釋給出。

這些指令在CPU内部是硬連線的。算術和邏輯運算指令包括在ALU（算術邏輯單元）中，而程式控制指令由CU（控制單元）管理。

通常在一個時鐘周期（clock cycle）内，計算機可以執行一個指令，但是現代的計算機可以同時執行多個指令。

計算機可以執行的一組指令稱為指令集。

CPU時鐘

時鐘周期

計算機的速度由其時鐘周期(Clock cycle)衡量。它是指計算機每秒工作的時鐘周期數。單個時鐘周期非常小，大約250*10^(-12)秒。每秒時鐘周期數越高，處理器速度越快。

CPU時鐘頻率(clock rate)的測量機關為GHz（千兆赫茲）。1Ghz等于10 ⁹Hz（赫茲）。一赫茲意味着一秒鐘。是以一千兆赫茲意味着每秒10 ⁹個時鐘周期。

時鐘周期越小，CPU可以執行的指令數量越多。時鐘周期等于時鐘頻率的倒數，而CPU時間=時鐘周期數/時鐘頻率

這意味着為了改進（減少）CPU時間，我們可以通過提高時鐘頻率，或優化我們提供給CPU的指令來減少指令需要的時鐘周期的數量。一些處理器提供了提高時鐘頻率的能力，但由于這是一個實體變化，可能會出現過熱，甚至冒煙/起火。

指令是如何執行的

指令按順序存儲在随機存取存儲器（RAM）上。對于一個假設的CPU指令，它由操作碼（OP code）和存儲器或寄存器位址組成。

控制單元（CU）内有兩個寄存器：用于加載指令操作碼的指令寄存器（IR），和用于加載目前正在執行的指令位址的指令位址寄存器。CPU中還有其他寄存器，用于存儲一個指令的最後4位的位址中存儲的值。

讓我們以一組實作兩個數字相加操作的指令為例。下面是這些指令及其說明：

第一步 - LOAD_A 8：

該指令最初儲存在RAM中，比如說指令<1100 1000>。它的前4位是操作碼。這決定了這個指令要做什麼。然後該指令被讀取到控制單元的指令寄存器（IR）中。指令被譯碼為load_A，這意味着它需要加載位址1000中的資料，位址1000是存儲在寄存器A中的指令的後4位。

第二步 - LOAD_B 2:

與上面類似，它将記憶體位址2（0010）中的資料加載到CPU的寄存器B中。

第三步 – ADD B A

接下來的這條指令是把這兩個數字相加。在這裡，控制單元（CU）告訴算術邏輯單元（ALU）執行加法操作并将結果儲存回寄存器A中。

第4步 – STORE_A 23

将結果儲存回寄存器A中。

這是一組非常簡單的指令，實作了兩個數字的相加操作。

現在，我們成功地得到了兩個數字相加的和值！

總線

CPU，寄存器，存儲器和IO裝置之間的所有資料都通過總線傳輸。要将剛才兩數相加得到的和數儲存到存儲器中，CPU将存儲器位址放入位址總線，将得到的結果（和數）放入資料總線，然後在控制總線中啟用正确的信号。這樣，資料在總線的幫助下被儲存到存儲器中。

計算機系統總線

緩存

CPU還具有将指令預取到其緩存中的機制。我們知道，一個處理器可以在一秒鐘内完成數百萬條指令。這意味着從存儲器（RAM）中擷取指令所花費的時間比執行指令所花費的時間要多。是以CPU會預取一些指令和資料到其緩存中，以加快執行速度。

如果緩存中的資料和操作記憶體中的資料不同，則将資料标記為髒位（dirty bit）。

指令流水線

現代CPU在指令執行中采用指令流水線技術實作取指（FI）、譯碼（DI）、執行（EI）的并行化。當一條指令完成“取指”後進入“譯碼”的同時，下一條指令就可以進行“取指”了，這樣就提高了指令的執行效率。

指令流水線技術

然而，當一條指令和另一條指令有依賴關系時，這種技術會産生問題。是以，指令流水線技術隻能夠讓處理器以不同的順序執行互相之間沒有依賴關系的指令。

多核計算機

它基本上是有不同的CPU，但是有一些共享資源，比如緩存等。

性能

CPU的性能取決于它的執行時間。性能=1/執行時間

假設一個程式執行需要20毫秒。CPU性能為1/20=0.05ms。相對性能=執行時間1/執行時間2

影響CPU性能的因素是指令執行時間和CPU的時脈速度（時鐘頻率）。是以，為了提高程式的性能，我們要麼提高CPU的時脈速度（時鐘頻率），要麼減少程式中的指令數量。處理器的速度有限，現代多核計算機每秒可以支援數百萬條指令。但是，如果我們編寫的程式有太多的指令，就将導緻整體性能的降低。

大O符号（Big O notation）計算方法可以用來确定在給定輸入的情況下CPU的性能将如何受到影響。

為了盡可能地提高CPU的速度，很多優化工作已經在CPU中進行。而我們在編寫任何程式時，都需要考慮如何盡可能地減少我們提供給CPU的指令數量，以提高計算機程式的性能。

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