【硬件设备】CPU系列之工作流程
文章目录
概述
CPU的工作过程
CPU指令的执行流程
一、取指令阶段
二、指令译码阶段
三、执行指令阶段
四、访存取数阶段
五、结果写回阶段
CPU的指令周期
一、指令周期
二、CPU周期(机器周期)
三、时钟周期
举例说明
总结
概述
作为程序员，必不可少的会和计算机打交道，那么了解计算机的核心”CPU“，对于我们编写程序还是有好处的。前文讲述了一些CPU的基础知识，那么本文带大家简单了解下CPU的执行过程，有助于了解CPU的特性。
CPU的工作过程
CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。
CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令，译码并执行这条指令，保存执行结果，紧接着又去取指令，译码，执行指令……，如此周而复始，反复循环，使得计算机能够自动地工作。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直进行下去。
CPU指令的执行流程
几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。如下图所示:
一、取指令阶段
取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。
程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+PC；若为双字长指令，则(PC)+2PC，依此类推。
二、指令译码阶段
取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。
在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。
在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。
三、执行指令阶段
在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。
此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。
四、访存取数阶段
根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。
此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。
五、结果写回阶段
作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。
结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；
在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。
在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。
许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现出并行处理的特性。
CPU的指令周期
一、指令周期
CPU取出一条指令并执行该指令所需的时间称为指令周期。
指令周期的长短与指令的复杂程度有关。
二、CPU周期(机器周期)
指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。
由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次主存所花的时间较长，因此通常用从主存读取一条指令的最短时间来规定CPU周期。
CPU周期也称为机器周期。
三、时钟周期
一个CPU周期包含有若干个时钟周期。
时钟周期是处理操作的最基本时间单位，由机器的主频决定。
一个CPU周期的时间宽度由若干个时钟周期的总和决定。
举例说明
我们举一个非常基本的示例，不需要使用非常复杂的外部设备。我们要使用的第一个是时钟。随着时间的流逝，我们的CPU经历了所谓的“提取执行”周期，或“提取-解码-执行”。
在CPU中，我将有三个寄存器。这些是快速存储的部分，CPU保留其当前正在处理的值。它们是跟踪我们的指令周期的寄存器。
另一个从内存加载我们的指令。
和一个累加器。
我们简化计算机中需要的最后一个组件是RAM，RAM是内存设备组件，可以方便我们读取指令和存放一些计算后的结果数据。
这就是我们的一个简单计算机。
我们运行一个简单的程序。它要做的就是数数。处理器分为三个步骤：提取，解码，执行。它只会循环重复这些。所以我们需要一些指令，实际上指令是放在内存中，因此，让我们将程序加载到RAM中。RAM还用于存储我们的答案和输出。这些都将以二进制形式存储，但现在不要让事情变得过于复杂，让它们易于阅读。
指令分为两部分。第一部分是指令本身。
第二部分通常是一个内存地址。
在每个时钟滴答声中，CPU都会执行以下三种操作之一：
- 从内存地址中获取一条指令。
- 解码该指令。
- 执行指令。
一圈又一圈地循环。因此，它将增加计数。我们将从数字开始，并一遍又一遍地添加。
一个时钟的滴答声。程序计数器设置为0。
因此，CPU提取了内存中地址0处的指令, 并将其放入指令寄存器。
一个时钟的滴答声。CPU进行解码操作。第一部分是指令, 第二部分是位置。在我们的例子中，指令是LOAD，地址是6。因此，我们将把地址6中的值加载到累加器中。
一个时钟的滴答声。CPU进行执行操作。他读取Ram上面内存地址为6个值，并将值放到累加器中，例子中内存地址为6的值为1，所以把1放到累加器中。
一个时钟的滴答声。CPU再次进行Fetch操作，程序计数器+1, CPU会在内存的下一个位置获取下一条指令。
一个时钟的滴答声。CPU再次进行解码操作。
一个时钟的滴答声。CPU再次执行操作。因为累加器里面已经有值，则累加RAM内存地址为7中的数据。
一个时钟的滴答声。CPU再次进行Fetch操作，程序计数器+1, CPU会在内存的下一个位置获取下一条指令。
一个时钟的滴答声。CPU再次进行解码操作。
一个时钟的滴答声。CPU再次执行操作。把累加器中的值写入到RAM内存地址为6的位置上去。
一个时钟的滴答声。CPU 读取操作，程序计数器+1, CPU会在内存的下一个位置获取下一条指令。
一个时钟的滴答声。CPU进行解码操作。
一个时钟的滴答声。CPU执行操作。因为是跳转指令，又会跳转RAM内存地址1，写入程序计数器。
以此往复一直累加，累加后的结果放到内存地址为6的空间中去。因为我们的程序没有暂停命令，所以会一直循环的读取-解码-执行的做下去。
总结
本文简单介绍了CPU执行流程，作为软件从业人员必不可少会和CPU打交道，比如CPU有流水线技术，传统的是三级流水线。那么是否流水线的层级越多越好呢，什么情况下会影响CPU流水线的执行。CPU是一个复杂的东西，后续会出一系列文章来讲解它，理解了它，可以让我们编写的程序具有更好的执行性能。
参考资料
- https://liam.page/2017/01/17/layers-and-operation-system/
- https://www.youtube.com/results?search_query=How+does+CPU+execute+program
- https://cs.nju.edu.cn/swang/CompArchOrg_13F/slides/lecture23.pdf
- https://baike.baidu.com/item/指令周期
- http://c.biancheng.net/view/3456.html
- https://www.youtube.com/watch?v=FRCXF1Sak7s
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