1， 簡介

中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)是一塊由超大規(guī)模的集成電路組成的運算和控制核心，主要功能是運行指令和處理數(shù)據(jù)。現(xiàn)在CPU一般都比較小，基本上只有指甲蓋般大小。CPU從誕生到現(xiàn)在主要在兩個維度上做了很大的提升，一個是材料及工藝，另一個是設(shè)計思想。

我們先看第一個維度：材料及工藝。你可曾想過人類歷史上第一個計算機(主要就是CPU)有多大?據(jù)資料了解其大小為24.4米×2.4米，重達28噸，功耗為170kW，但是運算速度僅為每秒5000次的加法運算。人類第一個CPU之所以體積這么大，功耗這么高，是因為它使用了17840支電子管。隨著1947年貝爾實驗室的肖克利等人發(fā)明了鍺晶體管(又叫做三極管)，人們可以用體積小、功耗低、開關(guān)速度快的晶體管替換體積大、功耗高、開關(guān)慢的電子管。晶體管是20世紀(jì)的一項重大發(fā)明，為集成電路的誕生做了堅實的鋪墊。

隨著20世紀(jì)中后期，半導(dǎo)體制造技術(shù)進步，使得集成電路成為可能。相對于使用各種分立電子組件組裝電路，集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個小芯片上，這是一個巨大的進步。第一個集成電路是在1958年由杰克·基爾比完成的，它包括一個雙極性晶體管，三個電阻和一個電容器。1959年，仙童公司首先推出了采用光刻技術(shù)的平面型晶體管(如二極管、三極管、電阻和電容)，而后1961年推出了平面型集成電路。理論上只要光刻工藝不斷提升，元器件的密度也會相應(yīng)地提升。1965年時任仙童半導(dǎo)體實驗室主任的摩爾提出了摩爾定律：集成電路可容納的元器件數(shù)量，每18~24個月翻一番。

再看第二個維度：設(shè)計思想。其實，在第一個計算機誕生的時候，雖然采取了最先進的電子技術(shù)，但缺少設(shè)計思想上的指導(dǎo)，導(dǎo)致很多邏輯都是硬化在電路板上的。這會造成一旦修改程序，就要重新組裝電路板，這樣的編程效率很低。這時馮·諾依曼提出了一個至關(guān)重要的設(shè)計思路：計算機的邏輯結(jié)構(gòu)，將軟硬件分離，要求CPU順序地從存儲器中取出指令和數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算，主要的思想：

二進制：程序、數(shù)據(jù)的最終形態(tài)都是二進制編碼、存儲在存儲器中，二進制編碼也是CPU能夠識別、執(zhí)行的編碼;

指令、數(shù)據(jù)可存儲：指令序列和數(shù)據(jù)存在主(內(nèi))存儲器中，以便于CPU在工作時能夠高速地從存儲器中提取指令并加以分析和執(zhí)行;

計算機組成：確定了計算機的五個基本組成部分，運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備;

馮·諾依曼的結(jié)構(gòu)框圖如下：

其實，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)也存在一些問題，但是人們并沒有完全拋棄這種體系結(jié)構(gòu)，而是在這一系列問題上做了改進：

指令、數(shù)據(jù)公用內(nèi)存：指令和數(shù)據(jù)都存儲在一個存儲器上，并且通過一個系統(tǒng)總線進行訪問。 當(dāng)前主存的讀寫速度是跟不上cpu運行速度的，所以為了解決這個問題，在cpu和主存增加了高速緩存，并且在L1高速緩存上，還區(qū)分了指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，并進一步提升系統(tǒng)總線的訪問速度。 另外，為了解決指令和數(shù)據(jù)共用系統(tǒng)總線帶來的速度慢的問題，又提出了哈佛架構(gòu)，將指令和數(shù)據(jù)分別存放在不同的主存上，可以并行訪問，這提高了運行速度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合外部主存的擴展，所以哈佛結(jié)構(gòu)并未得到廣泛應(yīng)用;

指令順序指令：指令只能順序，在一個pipe上運行。 為了提升指令運行速度增加了，亂序執(zhí)行、多級流水線、分支預(yù)測等功能;

在馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想指導(dǎo)下，并伴隨著芯片在摩爾定律下的制作工藝提升，現(xiàn)在的CPU越來越強大，在功能、算力不斷提升的同時，功耗、面積也在不停的減少。 得益于芯片技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在不僅有更輕便，容易攜帶的筆記本，還有各種方便攜帶的嵌入式產(chǎn)品使用，比如：智能手機、智能手表、藍牙耳機等。 可以預(yù)見，隨著技術(shù)的發(fā)展，后面將會有更豐富的產(chǎn)品出現(xiàn)，這無不彰顯了科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力。 接下來，我們重點關(guān)注當(dāng)代CPU的工作原理，通過對CPU工作原理的了解，為工作中更好地進行功能開發(fā)、性能優(yōu)化、功耗優(yōu)化做鋪墊。

2， 框架

為了講述的方便，上面畫了CPU+主存的框架。這基本上是現(xiàn)在復(fù)雜CPU的主流做法，CPU內(nèi)部包含控制器、運算器、寄存器，使用虛擬地址，經(jīng)過MMU可以轉(zhuǎn)化成物理地址。其中MMU里面有一個頁表高速緩存表(Table Lookup Buffer，簡稱TLB)和頁表遍歷單元(Table Walk Unit，簡稱TWU)，當(dāng)TLB緩存著要訪問的虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)系的時候，就可以直接找到的物理地址，通過該物理地址在L1 cache中查找數(shù)據(jù)。如果TLB中沒有緩存要訪問虛擬地址對應(yīng)的物理地址，這時會通過TWU模塊遍歷主存中的頁面，查找相應(yīng)的物理地址，找到后再通過這個物理地址訪問L1cache。如果L1 cache中存在著要訪問的物理地址對應(yīng)的內(nèi)容，直接返回給相應(yīng)的寄存器。如果L1 cache中沒找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，就依次從L2、L3 cache中查找，如果在所有層級的cache中都沒查找到有效的數(shù)據(jù)，就會直接訪問主存取出物理地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別給到寄存器和L1 cache。

其中實線部分是命中TLB及cache的數(shù)據(jù)訪問方式，虛線部分是沒有命中TLB及cache，通過TWU和頁表訪問主存獲取數(shù)據(jù)的方式。這個框架相對于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)多了MMU及cache，這兩個單元主要是為了解決兩個問題，一個是地址空間保護、內(nèi)存使用效率低的問題，另一個是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)訪問指令、數(shù)據(jù)共用存儲器慢的問題。接下來，我們分別看看各個模塊的功能。

2.1 中央處理器核心

CPU CORE是一種根據(jù)指令進行各種處理的電子電路。一般由控制器、運算器、寄存器組成。后面會專門寫篇文章，詳細分析一款ARM核的微架構(gòu)。接下來，我們分別看一下各模塊的功能。

1) 控制器

控制器又稱為控制單元(Control Unit，簡稱CU)，是計算機的指揮中心，只有在它的控制下，整個CPU才能夠有條不紊地工作、自動執(zhí)行程序。CU包括指令寄存器、指令計數(shù)器，其中指令寄存器存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，指令計數(shù)器總是指向下一條要執(zhí)行指令的地址。CU的工作流程為：從內(nèi)存中取指令、翻譯指令、分析指令。然后根據(jù)指令的含義，向有關(guān)部件發(fā)送控制命令，控制相關(guān)部件執(zhí)行指令所包含的操作。具體的依次指令執(zhí)行過程如下：CU通過指令計數(shù)器獲取下一條將要執(zhí)行指令的地址，通過該地址獲取具體的指令存放在指令寄存器，然后對該指令解碼，如果是一個add(加法指令)，會通過將寄存器中的值加載到運算器，其中寄存器中的值是從cache或者主存中獲取的，經(jīng)過運算器的運算產(chǎn)生進位、溢出等信號反饋給控制器，產(chǎn)生的結(jié)果也存放在寄存器中。

2) 運算器

運算器是一個負(fù)責(zé)算術(shù)運算和邏輯運算的模塊，主要包含算術(shù)邏輯單元(Arithmetic Logic Unit，簡稱ALU)和浮點運算單元(Floating Point Unit，簡稱FPU)。 ALU的主要功能：在控制信號的作用下，完成加、減、乘、除等算術(shù)運算，以及與、或、非、異或等邏輯運算以及移位、補位等運算。 通常ALU由兩個輸入端和一個輸出端(兩個值輸入，一個結(jié)果輸出)。 FPU主要負(fù)責(zé)浮點運算和高精度整數(shù)運算。 有些FPU還具有向量運算的功能，另外一些則有專門的向量處理單元。

運算器是用與、或、非邏輯門電路搭建起來的，比如，帶進位的二進制加法電路：

運算器主要的處理對象是數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)的長度以及數(shù)據(jù)的表示方法，對運算器的影響很大。大多數(shù)通用CPU是以16、32、64位數(shù)據(jù)作為運算器一次處理數(shù)據(jù)的長度。能夠一次性對一個數(shù)據(jù)的所有位，同時處理的運算器稱為并行運算器，一次只能對數(shù)據(jù)的一個位處理的運算器稱為串行運算器。我們通常所說的“CPU是幾位的”就是指ALU一次所能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

運算器與其他部分的關(guān)系：計算機運算時，運算器的操作對象和操作種類由控制器決定。運算器操作的數(shù)據(jù)從cache或內(nèi)存中讀取，處理的結(jié)果再寫入內(nèi)存(或者暫時存放在內(nèi)部寄存器中)，而且運算器對內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫是由控制器來進行的。

3) 寄存器

寄存器的主要功能是存儲數(shù)據(jù)、地址及指令，并且能夠高速、自動地完成數(shù)據(jù)的存儲。寄存器是有記憶功能的器件，而且采用兩種穩(wěn)定狀態(tài)0或1來記錄數(shù)據(jù)信息，所以CPU中的程序和數(shù)據(jù)都要轉(zhuǎn)換為二進制才可以存儲和操作。寄存器也是由與、或、非邏輯門電路組成的，下面就展示1bit的存儲，32個bit就是32個重復(fù)的1bit電路。

其中D為寄存器中一個bit要改變成值的輸入，B為當(dāng)前寄存器的一個bit。當(dāng)WE(Write Enable)為0時，B保持不變，不受D的變化影響。當(dāng)WE為1時，這時候D為0時，B為0，并將該值存到電路中，當(dāng)D為1時，B為1，并將該值存到電路中。

2.2 MMU

內(nèi)存映射單元(Memory Map Unit，簡稱MMU)，指的是將虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址的模塊。MMU包含了兩個模塊：頁表查找表(Table Lookup Buffer，簡稱TLB)和頁表遍歷單元(Table Walk Unit，簡稱TWU)。TLB是一個高速緩存，用于緩存頁表轉(zhuǎn)換的結(jié)果，從而減少頁表查詢的時間。一個完整的頁表翻譯和查找的過程叫做頁表查詢，頁表查詢是通過硬件模塊TWU自動完成的，但是頁表的維護需要軟件來完成，且存放在主存中，因此頁表查詢是一個耗時的過程。當(dāng)TLB未命中時，MMU才會通過TWU查詢頁表，從而得到翻譯后的物理地址，這個虛擬地址及物理地址的映射也會存儲在TLB中。

對于ARM這樣的處理器，CPU看到的都是虛擬地址，需要經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)化為物理地址，才能訪問cache或者內(nèi)存拿到物理地址中的內(nèi)容。你可能會疑問，為什么需要虛擬內(nèi)存，直接用物理內(nèi)存不行嗎?是的，不行。為了做進程地址空間的隔離及提升內(nèi)存的使用效率，使用虛擬內(nèi)存是很有必要的。后面會專門寫一篇文章專門講述MMU。

2.3 緩存

由于CPU與內(nèi)存之間存在很大的速度差(兩者相差上百倍)，同時又因為程序的加載有時間及空間局部性的特點，也就是說程序的一個內(nèi)存位置被訪問了，附近的位置很快也會被訪問到。那么我們可以把內(nèi)存中的部分代碼提前加載到訪問更快的cache里面。既然cache的主要作用是CPU與主存的緩沖層，那么cache的速度應(yīng)該接近于CPU，基本上是與CPU同頻運作。一般緩存都集成在CPU芯片上，L1 cache分為L1D和L1I cache，L1D、L1I和L2 cache在同一個cpu上，L3 cache一般是多個cpu間共享。既然cache的訪問速度這么快是不是越大越好，其實并不是，單拿成本和die的面積來說cache就不能做的太大。后面會專門寫一篇文章專門講述cache。

現(xiàn)代計算機或嵌入式系統(tǒng)的存儲設(shè)備一般有cache、內(nèi)存、SSD、HDD硬盤。這些存儲設(shè)備越靠近 CPU 速度越快，容量越小，價格越貴。

寄存器(Register)：寄存器與其說是存儲器，其實更像是 CPU 本身的一部分，只能存放極其有限的信息，但是速度非常快，和CPU同步。

高速緩存(CPU Cache)：使用 靜態(tài)隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory，簡稱SRAM)的芯片。

內(nèi)存(DRAM)：使用動態(tài)隨機存取存儲器(Dynamic Random Access Memory，簡稱DRAM)的芯片，比起 SRAM 來說，它的密度更高，有更大的容量，而且它也比 SRAM 芯片便宜不少。

硬盤：如固態(tài)硬盤(Solid-state drive 或 Solid-state disk，簡稱SSD)、硬盤(Hard Disk Drive，簡稱HDD)。

每一種存儲器設(shè)備只和它相鄰的存儲設(shè)備打交道。比如，CPU Cache是從內(nèi)存里加載而來的，或者需要寫回內(nèi)存，并不會直接寫回數(shù)據(jù)到硬盤，也不會直接從硬盤加載數(shù)據(jù)到CPU Cache中，而是先加載到內(nèi)存，再從內(nèi)存加載到cache中。

可以看出，越是速度快的設(shè)備，容量就越小。這里一共10M的cache，成本只是幾十美元。而 8GB 的內(nèi)存、128G 的 SSD 以及 1T 的 HDD，大概零售價格加在一起，也就和我們的高速緩存的價格差不多。

2.4 主存

主存里分別存儲了各種數(shù)據(jù)，包括代碼段、數(shù)據(jù)段、字符串、地址等。它的讀寫速度相對寄存器、cache慢了很多，但是單位成本卻低了很多。通過系統(tǒng)中的存儲金字塔設(shè)計，利用程序的時間及空間局部性原理，可以很好地利用主存的價格優(yōu)勢，彌補讀寫時間慢的問題。后面會專門寫一篇文章講解主存。

2.5 總線

雖然從上面的框圖上不能直觀地看到BUS總線的存在，但是地址、數(shù)據(jù)的傳輸都是依賴總線完成的。它就像一條高速公路，快速完成各個單元間的數(shù)據(jù)交換，也是數(shù)據(jù)從內(nèi)存流進和流出CPU的地方。CPU總線(前端總線)傳輸速率決定著CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢。CPU總線速率越高，CPU等待從內(nèi)存取指令和數(shù)據(jù)時間越少，運行程序速度越快。總線又細分成數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。后面會專門寫一篇文章講解總線相關(guān)的知識。

3，CPU的運行過程

3.1 指令集

指令集架構(gòu)(Instruction Set Architecture，簡稱ISA)是CPU和軟件之間的橋梁。ISA包含指令集、特群集、寄存器、執(zhí)行模式、安全擴展、性能加速擴展等方面。其中，指令集是ISA的重要組成部分，通常包含一系列不同功能的指令，用于數(shù)據(jù)搬移、計算、內(nèi)存訪問、過程調(diào)用等。CPU在運行操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序的時候，實際上是在執(zhí)行它被編譯后所包含的指令。根據(jù)執(zhí)行指令的特征，CPU分為精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Conputer，簡稱RISC)和復(fù)雜指令集計算機(Complex Instruction Set Conputer，簡稱CISC)。

RISC類CPU的指令功能單純，種類少。相對地，CISC類CPU指令功能復(fù)雜，種類繁多。RISC指令精簡的好處是CPU內(nèi)部構(gòu)造可以簡化，適合高速操作，但是在進行相同的操作時，由于每條指令功能單純，所以與CISC相比，RISC需要使用更多的指令數(shù)量。雖然CISC的內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜不適合高速操作，但進行相同處理時指令數(shù)比RISC要少。

RISC架構(gòu)最大的特點是只使用載入和存儲指令訪問內(nèi)存，之中架構(gòu)成為載入存儲架構(gòu)。這樣做的好處是可以簡化指令集和流水線的設(shè)計，在這種架構(gòu)下，運算指令只能對寄存器中的數(shù)據(jù)進行操作。RISC和CISC兩種架構(gòu)各有所長，在追求高速運行的CPU領(lǐng)域中，RISC被認(rèn)為更具優(yōu)勢。雖然這些年，Intel和AMD兩家公司的CPU指令集依然是CISC的，但內(nèi)部卻將復(fù)雜指令分解成簡單指令，使得內(nèi)部像RISC一樣工作。

3.2 CPU一般運行過程

CPU從cache或主存中取出指令，然后放入指令寄存器，控制器對該指令進行譯碼。最終把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作序列，從而完成一條指令的執(zhí)行。指令是CPU規(guī)定執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)的基本命令。指令是由一個字節(jié)或者多個字節(jié)組成(對于arm64，指令長度是4個字節(jié))，其中包括操作碼字段、一個或多個有關(guān)操作數(shù)地址的字段以及一些表征機器狀態(tài)的狀態(tài)字以及特征碼。有的指令中也直接包含操作數(shù)本身，且用二進制序列表示。指令的構(gòu)造如下：

1) 取指

取指令(Instruction Fetch，簡稱IF)階段是將一條指令從cache或主存中獲取指令到指令寄存器的過程。CPU中有一個程序計數(shù)器(Program Counter，簡稱PC)寄存器，其中保存著將要執(zhí)行指令的地址。指令讀取是通過將PC寄存器的值輸出給cache或者內(nèi)存，然后由cache或內(nèi)存返回該值對應(yīng)地址中的指令。當(dāng)一條指令被取出后，PC中的數(shù)值將根據(jù)指令字長度自動遞增。

2) 譯碼

取出指令后，CPU會立即進入指令譯碼(Instruction Decode，簡稱ID)階段。在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區(qū)分出不同的指令類別以及各種獲取操作數(shù)的方法。指令有很多種，有進行各種運算的指令、控制下一條命令的指令、對內(nèi)存進行讀寫的命令，還有對CPU進行控制的指令。

3) 執(zhí)行

在取指令和指令譯碼階段之后，接著進入執(zhí)行指令(Execute，簡稱EX)階段。此階段的任務(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，實現(xiàn)具體指令的功能。為此，CPU的不同部分的組件被連接起來，以執(zhí)行所需的操作。例如，執(zhí)行一個加法運算，ALU將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要進行相加運算的數(shù)值，而輸出求和后的結(jié)果。如果加法運算產(chǎn)生一個對該CPU處理而言過大的結(jié)果，在標(biāo)志暫存器里，運算溢出(Arithmetic Overflow，簡稱AO)標(biāo)志可能會被設(shè)置。

4) 訪存

根據(jù)指令需要，有可能要訪問主存，讀取操作數(shù)，這樣就進入了訪存取數(shù)的階段。此階段的任務(wù)是：根據(jù)指令中的地址碼，經(jīng)過MMU將虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址，根據(jù)物理地址得到操作數(shù)在cache或主存中的地址，并從cache或主存中讀取該操作數(shù)用于運算。

5) 寫回

結(jié)果寫回(Write Back，簡稱WB)階段一般把執(zhí)行指令階段的運行結(jié)果數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存取。在有些情況下，結(jié)果數(shù)據(jù)也可被寫入相對較慢、但較廉價且容量較大的主存。許多指令還會改變程序狀態(tài)寄存器中標(biāo)志位的狀態(tài)，這些標(biāo)志位標(biāo)識著不同的操作結(jié)果，可被用來影響程序的動作。在指令執(zhí)行完畢、結(jié)果數(shù)據(jù)寫回之后，若無意外事件(如結(jié)果溢出等)發(fā)生，CPU就接著從程序計數(shù)器PC中取得下一條指令地址，開始新一輪的循環(huán)，下一個指令周期將順序取出下一條指令。

3.3 CPU中斷流程

在正常情況下，CPU 可以順序執(zhí)行，也可以分支執(zhí)行，這些總歸是按照既定順序去執(zhí)行。現(xiàn)實中，有時需要暫時中斷CPU的當(dāng)前執(zhí)行流，讓CPU去做點其他的工作，再回頭來繼續(xù)原來的執(zhí)行流。因此CPU硬件提供了一種中斷機制，可以先讓CPU停下，等中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，再切回來：

保存PC：保存當(dāng)前的 PC 的值到內(nèi)存的某個位置

修改PC：修改 PC 的值，讓執(zhí)行其他執(zhí)行流

回原PC：其他執(zhí)行流執(zhí)行結(jié)束之后，通過將剛才保存的 PC 值恢復(fù)到 PC 寄存器

繼續(xù)原執(zhí)行流：繼續(xù)中斷前的執(zhí)行流

審核編輯：湯梓紅