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CPU执行程序的原理

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前言

看了网上的一些描述CPU执行程序的过程,发现他们涉及到的内容太多了,恨不能把整个CPU的底层结构都拿出来说,这对计算机理论知识匮乏的新人甚至是一些老人都是非常不友好的。这个问题也是当初拦在我面前的一只大老虎,把这个原理写出来也有助于我自己的深入理解。

YouTube上的一个视频How does CPU execute program,是一个很好的CPU执行程序原理的总结,英文水平还行的人建议看原视频,就不用听我瞎BB了。虽然没有字幕,如果能看懂里面的PPT,就基本能理解了。

以下内容主要是将视频内容大致解释一下,是写给英文水平欠缺一点或者没办法看原视频的人看的。如有错误,欢迎指正。

相关术语

RAM:指内存,断电后内容无法保存,因此叫做易失性存储;另一个相关的概念是ROM,字面上是只读存储器,从字面上里面更适合用于嵌入式设备,现在意义有所延伸,具体自行查找资料。RAM的速度远快于ROM,CPU与内存直接进行数据交换。

CPU:计算机的所有计算操作都由它执行,只要先记住它是一块有输入和输出的集成电路就行了。

Instruction:指令,是CPU进行操作的基本单元,大致包含操作对象、操作对象的地址、对操作对象进行何种操作。

RAM相关结构

程序要想被CPU执行,首先要被编译(具体编译改变,请查看我的另外一篇文章编译的基本概念)成CPU可以执行的指令操作,这里就不详细介绍,本文就假设程序已经被编译好了,放在了内存中。内存中存放的数据分为两类,一类是指令;另一类是数据,不管是指令还是数据都有其对应的地址。

下图就是接下来我们将会涉及的内存结构,这是从视频中直接截取下来的,大家将就着看。

在上图中,现在已经存放了地址为100、104、108、112的一系列指令;地址为2000、2004、2008的一系列数据。

CPU相关结构

这里只放出CPU的执行指令时涉及的基本结构,真实的情况还会复杂很多。

这里涉及到的结构有Program Counter(程序计数器)、Instruction Register(指令寄存器)、Data Register(数据寄存器)、ALU(算数逻辑单元),可以将计数器、寄存器都可以简单理解为存放数据的器件。上述程序计数器用来存放指令的地址;指令寄存器用来存放指令(初学者可能会搞混数据和地址的区别,稍加区分就可以分辨);数据寄存器存放参与计算的数据,下图中的A、B、C都是数据寄存器;ALU就是用于计算的器件。

执行过程

本文内容为便于理解,仅涉及到CPU和内存间的数据交换。

在了解了RAM和CPU相关结构之后,接下来就可以正式开始说明执行的过程,其实就是对以上叙述内容的一个组合。

 

  1. 程序计数器初始内容为100,指向内存中的某一项指令,注意100指的是地址;
  2. 指令寄存器根据程序计算器的指向地址,将内存中地址为100的指令抓取到自身,此时存放LOAD A,2000;
  3. CPU按照指令内容,将内存地址为2000的数据,上载到数据寄存器A中,此时CPU和RAM的状态如下图所示;
  4. 以上3步已完成一个指令的基本操作步骤。接下来程序计数器依次指向104指令地址、108指令地址、112指令地址,分别完成将2004地址的数据赋值给B数据寄存器;ALU将A、B内的数据相乘赋值给C数据寄存器;将C数据寄存器数据写入内容地址2008中。
  5. 这样就完成了50×0.1这个简单程序的计算,最后CPU和RAM所处状态如下图所示。