中央处理器

复习

第三十六章：了解了程序、程序计数器与指令译码
第三十七章：了解了控制器如何产生控制信号、协调各部件

TL;DR

CPU 主要由运算器（ALU）、控制器和寄存器组三部分构成
它按“取指 → 译码 → 执行 → 写回“的循环不停工作
前面造的 ALU、寄存器、存储器、控制器，到这里终于拼成了整机的大脑

正文

终于凑齐了

　　回头看看这一路：我们造出了 ALU（第十八章）、寄存器和存储器（第十八、二十二章）、时钟（第二十五章）、控制器（第三十七章）。它们各自都能干活，但一直散落着。这一章，把它们装到一起——这就是中央处理器（CPU，Central Processing Unit）。

　　CPU 的核心部件有三块：

运算器：就是 ALU，负责算术和逻辑运算
控制器：负责译码指令、按节拍发出控制信号
寄存器组：包括通用寄存器，以及程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、状态寄存器（PSW）等专用寄存器

　　再加上连接它们的数据通路，一台能“执行程序“的机器就成型了。

指令执行周期

　　CPU 的工作，说白了就是不断重复下面这个循环：

取指：按照 PC 的地址，从存储器里把指令取出来，放进 IR，同时让 PC 指向下一条
译码：控制器分析 IR 里的指令，搞清“要做什么运算、操作数在哪“
执行：驱动 ALU 或其他部件完成运算
访存（不一定有）：如果指令要读/写内存，就访问存储器
写回：把结果写回寄存器或内存，更新状态标志

　　然后，回到第 1 步，继续下一条。这个循环快得惊人——现代 CPU 每秒能重复几十亿次。

数据通路

　　数据在各部件之间怎么流动，由数据通路决定。典型路径有：

寄存器 ↔ ALU：操作数送进 ALU，结果送回寄存器
存储器 ↔ 寄存器：取指令、读写数据
控制器 → 各部件：控制信号决定“谁开门、谁关门“

　　可以把它想象成城市的道路网，数据是车，控制信号是红绿灯。

一个完整的例子

　　来算 (a + b) * c，其中 a = 2、b = 3、c = 4：

MOV R1, #2     ; a = 2
MOV R2, #3     ; b = 3
MOV R3, #4     ; c = 4
ADD R4, R1, R2 ; R4 = a + b = 5
MUL R5, R4, R3 ; R5 = R4 * c = 20

　　CPU 会这样一步步走：

取指 MOV R1,#2 → 执行 R1 = 2
取指 MOV R2,#3 → 执行 R2 = 3
取指 MOV R3,#4 → 执行 R3 = 4
取指 ADD R4,R1,R2 → 执行 R4 = 5
取指 MUL R5,R4,R3 → 执行 R5 = 20

　　不管程序多复杂，拆开来都是这样一条条指令首尾相接。

分支与循环

　　程序不总是老老实实往下走。遇到 if、for 时，就需要跳转：

CMP R1, #0     ; 比较 R1 和 0
BLE ELSE       ; 若 R1 <= 0，跳到 ELSE
MOV R2, #1     ; 否则 y = 1
JMP END
ELSE:
MOV R2, #0     ; y = 0
END:

　　CMP 会设置状态标志，BLE 根据标志决定要不要修改 PC。一旦 PC 被改成别处，程序就跳走了。循环本质上就是“往回跳“。

让 CPU 更快

　　照上面的流程，一条指令要好几拍才走完，听着就慢。工程师们想了两条路：

流水线：让多条指令的不同阶段重叠起来，就像工厂流水线一样，同一时刻有好几道工序在忙。这是第三十九章的内容。
缓存：CPU 比内存快太多，每次去内存取数据都要等半天。把常用数据放进缓存（第三十一章），能大幅减少等待。

　　这两招是现代 CPU 性能的两大支柱，后面都会讲到。

思考题

　　假设 CPU 按“取指 → 译码 → 执行 → 写回“四步执行，每一步要 1 个时钟周期。那么一条指令要 4 个周期，1000 条指令要 4000 个周期。

　　如果让这四步像工厂流水线一样重叠起来，理想情况下 1000 条指令大约需要多少个周期？为什么？

小结

知识点

CPU 的三大组成部分
指令执行周期：取指、译码、执行、访存、写回
数据通路的概念
分支与循环的硬件实现
性能优化的两个方向：流水线与缓存

参考资料

Wikipedia(zh)：中央处理器：CPU 的基本概念和工作原理
Wikipedia(zh)：指令周期：CPU 执行指令的基本过程
Wikipedia(zh)：数据通路：数据通路的概念

思考题答案（仅供参考）

　　理想情况下约需要 1000 + 4 - 1 = 1003 个周期。因为流水线填满后，每个时钟周期都能完成一条指令，只有最开始“填流水线“的那几拍是额外的。相比 4000 个周期，速度提升了近 4 倍，这正是流水线的威力——也是第三十九章要展开的内容。

协议

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设计师 | 南国微雪

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