CPU 基本工作原理和概念

CPU

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CPU 是计算机的大脑，它主要和内存进行交互，从内存中提取指令并执行它。

一个CPU 的执行周期是从内存中提取第一条指令、解码并决定它的类型和操作数，执行，然后再提取、解码执行后续的指令。重复该循环直到程序运行完毕。

每个CPU 都有一组可以执行的特定指令集，因此，x86 的 CPU不能执行 ARM 的程序并且 ARM 的CPU 也不能执行 x86 的程序。

由于访问内存获取执行或数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的  CPU 内部都会包含一些寄存器来保存关键变量和临时结果。因此，在指令集中通常会有一些指令用于把关键字从内存中加载到寄存器中，以及把关键字从寄存器存入到内存中。还有一些其他的指令会把来自寄存器和内存的操作数进行组合，例如 add 操作就会把两个操作数相加并把结果保存到内存中。

除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，大多数计算机还具有几个特殊的寄存器，这些寄存器对于程序员是可见的。其中之一就是程序计数器(program  counter)  ，程序计数器会指示下一条需要从内存提取指令的地址。提取指令后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址。 

IP 寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。  

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计算机的工作模式是什么样的？还记得咱们攒电脑时买的那堆硬件吗？虽然你可以根据经验，把那些复杂的设备和连接线安装起来，但是你真的了解它们为什么要这么连接吗？

现在我就把硬件图和计算机的逻辑图对应起来，带你看看计算机的工作模式。

对于一个计算机来讲，最核心的就是 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。这是这台计算机的大脑，所有的设备都围绕它展开。

对于公司来说，CPU 是真正干活的，将来执行项目都要靠它。

CPU 就相当于咱们公司的程序员，我们常说，二十一世纪最缺的是什么？是人才！所以，大量水平高、干活快的程序员，才是营商环境中最重要的部分。

CPU 和其他设备连接，要靠一种叫做总线（Bus）的东西，其实就是主板上密密麻麻的集成电路，这些东西组成了 CPU 和其他设备的高速通道。

在这些设备中，最重要的是内存（Memory）。因为单靠 CPU 是没办法完成计算任务的，很多复杂的计算任务都需要将中间结果保存下来，然后基于中间结果进行进一步的计算。CPU 本身没办法保存这么多中间结果，这就要依赖内存了。

内存就相当于办公室，我们要看看方不方便租到办公室，有没有什么创新科技园之类的。有了共享的、便宜的办公位，公司就有注册地了。

当然总线上还有一些其他设备，例如显卡会连接显示器、磁盘控制器会连接硬盘、USB 控制器会连接键盘和鼠标等等。

CPU 和内存是完成计算任务的核心组件，所以这里我们重点介绍一下 CPU 和内存是如何配合工作的。CPU 其实也不是单纯的一块，它包括三个部分，运算单元、数据单元和控制单元。

• 运算单元只管算，例如做加法、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。
• 运算单元计算的数据如果每次都要经过总线，到内存里面现拿，这样就太慢了，所以就有了数据单元。数据单元包括 CPU 内部的缓存和寄存器组，空间很小，但是速度飞快，可以暂时存放数据和运算结果。
• 有了放数据的地方，也有了算的地方，还需要有个指挥到底做什么运算的地方，这就是控制单元。控制单元是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某几个数据，计算出个结果，然后放在数据单元的某个地方。 

每个项目都有一个项目执行计划书，里面是一行行项目执行的指令，这些都是放在档案库里面的。每个进程都有一个程序放在硬盘上，是二进制的，再里面就是一行行的指令，会操作一些数据。

进程一旦运行，比如图中两个进程 A 和 B，会有独立的内存空间，互相隔离，程序会分别加载到进程 A 和进程 B 的内存空间里面，形成各自的代码段。当然真实情况肯定比我说的要复杂的多，进程的内存虽然隔离但不连续，除了简单的区分代码段和数据段，还会分得更细。 

CPU 操作数据写入回内存

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程序运行的过程中要操作的数据和产生的计算结果，都会放在数据段里面。那 CPU 怎么执行这些程序，操作这些数据，产生一些结果，并写入回内存呢？ 

CPU 的控制单元里面，有一个指令指针寄存器，它里面存放的是下一条指令在内存中的地址。控制单元会不停地将代码段的指令拿进来，先放入指令寄存器。

当前的指令分两部分，一部分是做什么操作，例如是加法还是位移；一部分是操作哪些数据。 

要执行这条指令，就要把第一部分交给运算单元，第二部分交给数据单元。 

数据单元根据数据的地址，从数据段里读到数据寄存器里，就可以参与运算了。运算单元做完运算，产生的结果会暂存在数据单元的数据寄存器里。最终，会有指令将数据写回内存中的数据段。 

你可能会问，上面算来算去执行的都是进程 A 里的指令，那进程 B 呢？CPU 里有两个寄存器，专门保存当前处理进程的代码段的起始地址，以及数据段的起始地址。这里面写的都是进程 A，那当前执行的就是进程 A 的指令，等切换成进程 B，就会执行 B 的指令了，这个过程叫作进程切换（Process Switch）。这是一个多任务系统的必备操作。

CPU总线

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到这里，你会发现，CPU 和内存来来回回传数据，靠的都是总线。其实总线上主要有两类数据，一个是地址数据，也就是我想拿内存中哪个位置的数据，这类总线叫地址总线（Address Bus）；另一类是真正的数据，这类总线叫数据总线（Data Bus）。

所以说，总线其实有点像连接 CPU 和内存这两个设备的高速公路，说总线到底是多少位，就类似说高速公路有几个车道。但是这两种总线的位数意义是不同的。

地址总线的位数，决定了能访问的地址范围到底有多广。例如只有两位，那 CPU 就只能认 00，01，10，11 四个位置，超过四个位置，就区分不出来了。位数越多，能够访问的位置就越多，能管理的内存的范围也就越广。

而数据总线的位数，决定了一次能拿多少个数据进来。例如只有两位，那 CPU 一次只能从内存拿两位数。要想拿八位，就要拿四次。位数越多，一次拿的数据就越多，访问速度也就越快。

x86 成为开放平台历史中的重要一笔

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那 CPU 中总线的位数有没有个标准呢？如果没有标准，那操作系统作为软件就很难办了，因为软件层没办法实现通用的运算逻辑。这就像很多非标准的元器件一样，你烧你的电路板，我烧我的电路板，谁都不能用彼此的。 

早期的 IBM 凭借大型机技术成为计算机市场的领头羊，直到后来个人计算机兴起，苹果公司诞生。但是，那个时候，无论是大型机还是个人计算机，每家的 CPU 架构都不一样。如果一直是这样，个人电脑、平板电脑、手机等等，都没办法形成统一的体系，就不会有我们现在通用的计算机了，更别提什么云计算、大数据这些统一的大平台了。

好在历史将 x86 平台推到了开放、统一、兼容的位置。我们继续来看 IBM 和 x86 的故事。

IBM 开始做 IBM PC 时，一开始并没有让最牛的华生实验室去研发，而是交给另一个团队。一年时间，软硬件全部自研根本不可能完成，于是他们采用了英特尔的 8088 芯片作为 CPU，使用微软的 MS-DOS 做操作系统。

谁能想到 IBM PC 卖得超级好，好到因为垄断市场而被起诉。IBM 就在被逼的情况下公开了一些技术，使得后来无数 IBM-PC 兼容机公司的出现，也就有了后来占据市场的惠普、康柏、戴尔等等。

能够开放自己的技术是一件了不起的事。从技术和发展的层面来讲，它会使得一项技术大面积铺开，形成行业标准。就比如现在常用的 Android 手机，如果没有开放的 Android 系统，我们也没办法享受到这么多不同类型的手机。

后来英特尔的 CPU 数据总线和地址总线越来越宽，处理能力越来越强。但是一直不能忘记三点，一是标准，二是开放，三是兼容。因为要想如此大的一个软硬件生态都基于这个架构，符合它的标准，如果是封闭或者不兼容的，那谁都不答应。

从 8086 的原理说起

说完了 x86 的历史，我们再来看 x86 中最经典的一款处理器，8086 处理器。虽然它已经很老了，但是咱们现在操作系统中的很多特性都和它有关，并且一直保持兼容。 

我们把 CPU 里面的组件放大之后来看。你可以看我画的这幅图。

我们先来看数据单元

为了暂存数据，8086 处理器内部有 8 个 16 位的通用寄存器，也就是刚才说的 CPU 内部的数据单元，分别是 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。

这些寄存器比较灵活，其中 AX、BX、CX、DX 可以分成两个 8 位的寄存器来使用，分别是 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中 H 就是 High（高位），L 就是 Low（低位）的意思。 

这样，比较长的数据也能暂存，比较短的数据也能暂存。你可能会说 16 位并不长啊，你可别忘了，那是在计算机刚刚起步的时代。

接着我们来看控制单元

IP 寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。 

如果需要切换进程呢？每个进程都分代码段和数据段，为了指向不同进程的地址空间，有四个 16 位的段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。

其中，CS 就是代码段寄存器（Code Segment Register），通过它可以找到代码在内存中的位置；DS 是数据段的寄存器，通过它可以找到数据在内存中的位置。 

SS 是栈寄存器（Stack Register）。栈是程序运行中一个特殊的数据结构，数据的存取只能从一端进行，秉承后进先出的原则，push 就是入栈，pop 就是出栈。

凡是与函数调用相关的操作，都与栈紧密相关。例如，A 调用 B，B 调用 C。当 A 调用 B 的时候，要执行 B 函数的逻辑，因而 A 运行的相关信息就会被 push 到栈里面。当 B 调用 C 的时候，同样，B 运行相关信息会被 push 到栈里面，然后才运行 C 函数的逻辑。当 C 运行完毕的时候，先 pop 出来的是 B，B 就接着调用 C 之后的指令运行下去。B 运行完了，再 pop 出来的就是 A，A 接着运行，直到结束。

如果运算中需要加载内存中的数据，需要通过 DS 找到内存中的数据，加载到通用寄存器中，应该如何加载呢？对于一个段，有一个起始的地址，而段内的具体位置，我们称为偏移量（Offset）。例如 8 号会议室的第三排，8 号会议室就是起始地址，第三排就是偏移量。

在 CS 和 DS 中都存放着一个段的起始地址。代码段的偏移量在 IP 寄存器中，数据段的偏移量会放在通用寄存器中。

这时候问题来了，CS 和 DS 都是 16 位的，也就是说，起始地址都是 16 位的，IP 寄存器和通用寄存器都是 16 位的，偏移量也是 16 位的，但是 8086 的地址总线地址是 20 位。怎么凑够这 20 位呢？方法就是“起始地址 *16+ 偏移量”，也就是把 CS 和 DS 中的值左移 4 位，变成 20 位的，加上 16 位的偏移量，这样就可以得到最终 20 位的数据地址。

从这个计算方式可以算出，无论真正的内存多么大，对于只有 20 位地址总线的 8086 来讲，能够区分出的地址也就 2^20=1M，超过这个空间就访问不到了。这又是为啥呢？如果你想访问 1M+X 的地方，这个位置已经超过 20 位了，由于地址总线只有 20 位，在总线上超过 20 位的部分根本是发不出去的，所以发出去的还是 X，最后还是会访问 1M 内的 X 的位置。

那一个段最大能有多大呢？因为偏移量只能是 16 位的，所以一个段最大的大小是 2^16=64k。

是不是好可怜？对于 8086CPU，最多只能访问 1M 的内存空间，还要分成多个段，每个段最多 64K。尽管我们现在看来这不可想象得小，根本没法儿用，但是在当时其实够用了。 

 

 

 

多线程和多核芯片

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 Intel Pentinum 4也就是奔腾处理器引入了被称为多线程(multithreading) 或超线程              (hyperthreading,  Intel  公司的命名)  的特性,  x86 处理器和其他一些 CPU 芯片就是这样做的包括 SSPARC 、Power5 、Intel Xeon 和 Intel Core 系列。

近似地说,多线程允许CPU 保持两个不同的线程状态并且在纳秒级(nanosecond)   的时间完成切换。线程是一种轻量级的进程,我们会在后面说到。

例如,如果一个进程想要从内存中读取指令(这通常会经历几个时钟周期),多线程 CPU 则可以切换至另一个线程。多线程不会提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行。

对于操作系统来讲,多线程是有意义的,因为每个线程对操作系统来说都像是一个单个的 CPU。比如 一个有两个 CPU 的操作系统,并且每个 CPU 运行两个线程,那么这对于操作系统来说就可能是 4 个  CPU。除了多线程之外,现在许多 CPU 芯片上都具有四个、八个或更多完整的处理器或内核。多核芯片在其 上有效地承载了四个微型芯片,每个微型芯片都有自己的独立CPU。