CPU 是如何认识和执行代码的

CPU的介绍

CPU 也称为微处理器，是计算机的心脏和/或大脑。

深入研究计算机的核心，可以帮助我们有效地编写计算机程序。

CPU 是计算机的心脏和大脑，它执行提供给他们的指令。它的主要工作是执行算术和逻辑运算并将指令编排在一起。

我们先来看一下CPU的主要组件是什么以及它们的作用：

处理器两个主要组件

控制单元 CU
算术和逻辑单元 ALU

1.控制单元 CU

控制单元CU是CPU的一部分，它可以帮助CPU协调指令的执行，它告诉CPU该怎么办。

并根据说明，它有助于激活将CPU连接到计算机的其他各个部分（包括ALU）。控制单元是CPU接收处理指令的第一个组件。

控制单元也有两种类型：

硬连线控制单元。
微型可编程（微型）控制单元。

硬连线控制单元是指硬件，需要对硬件进行更改以添加修改以使其正常工作，而可以对微可编程控制单元进行编程以更改其行为。硬接线CU处理指令的速度更快，而微编程的灵活性更高。

2.算术和逻辑单元 ALU

算术和逻辑单元ALU进行所有算术和逻辑计算。ALU执行加减运算。ALU由执行这些操作的逻辑电路或逻辑门组成。

大多数逻辑门接受两个输入并产生一个输出，下面是一个半加法器电路的示例，该电路采用两个输入并输出结果。这里A和B是输入，S是输出，C是进位。

存储—寄存器和内存

CPU的主要工作是执行提供给它的指令，而要在大多数时间处理这些指令，它需要数据。一些数据是中间数据，其中一些是输入，其他是输出。这些数据和说明一起存储在以下存储器中：

寄存器

寄存器是一小组可以存储数据的地方。寄存器是锁存器的组合。

锁存器也称为触发器，是存储1位信息的逻辑门的组合。

锁存器有两根输入线，写和输入线，以及一根输出线。我们可以启用写入线来更改存储的数据。禁用写线时，输出始终保持不变。

CPU具有用于存储输出数据的寄存器，由于它是中间数据，因此发送到主存储器（RAM）会很慢。

该数据被发送到通过BUS连接的其他寄存器。寄存器可以存储指令，输出数据，存储地址或任何类型的数据。

内存（RAM）

RAM是寄存器的集合，这些寄存器以优化的方式排列并压缩在一起，以便可以存储更多数据。

RAM（随机存取存储器）易失，当我们关闭电源时，数据会丢失。

由于RAM是用于读取/写入数据的寄存器的集合，因此RAM接受8位地址的输入，输入要存储的实际数据的数据，最后读取和写入使能器，其对锁存器的作用相同。

什么是指令

指令是计算机可执行的粒度计算，CPU可以处理各种指令。

包括：

算术，例如加法和减法
逻辑指令，例如和，或，而不是
数据指令，例如移动，输入，输出，加载和存储
控制流指令，例如 goto，如果... goto，则调用并返回
通知程序已经结束CPU 暂停

使用汇编语言将指令提供给计算机，或者由编译器生成指令，或者以某些高级语言解释指令。

这些指令被硬件连线到CPU内部，ALU包含算术和逻辑，而控制流由CU管理。

CPU时钟

时钟周期

计算机的速度取决于其时钟周期。它是计算机每秒工作的时钟周期数。单时钟周期非常小，大约为250 * 10 * -12秒。时钟周期越高，处理器速度就越快。

一个CPU时钟循环以GHz（测量吉赫兹）。1GHz等于10⁹Hz（赫兹）。赫兹表示一秒钟执行的次数。因此1 GHz意味着每秒10⁹个周期。

时钟周期越快，CPU 可执行的指令越多。时钟周期= 1 / CPU时钟频率时间 = 时钟周期数/时钟频率

这意味着可以通过优化提供给CPU的指令来缩短CPU时间，从而提高时钟频率或减少时钟周期数。某些处理器可以增加时钟周期，但由于是物理变化，因此可能会过热甚至冒烟/起火。

在一个时钟周期内，计算机可以执行一条指令，但是现代计算机可以执行多条指令。

计算机可以执行的一组指令称为指令集。

总线

CPU，寄存器，存储器和IO设备之间的所有数据都通过总线传输。

为了将数据加载到刚刚添加的存储器中，CPU将存储器地址放入地址总线，并将总和结果放入数据总线，并在控制总线中启用正确的信号。

这样，数据将在总线的帮助下加载到内存中。

接下来来解释指令如何执行

指令按顺序存储在 RAM 中。对于一个假设的CPU，指令由 OP 代码（操作代码）和存储器或寄存器地址组成。

在控制单元指令寄存器（IR）中有两个寄存器，用于加载指令的OP代码；在指令地址寄存器中，用于加载当前正在执行的指令的地址。CPU内还有其他寄存器，用于存储存储在指令后4位地址中的值。

以一组将两个数字相加的指令为例，以下是说明：

步骤1 — LOAD_A 8：

最初将指令保存在RAM中，例如<1100 1000>。前4位是操作码，它确定了指令。该指令被提取到控制单元的IR 中。指令被解码为d_load_A，这意味着它需要将数据加载到地址1000中，该地址是指令A的最后4位。

步骤2 — LOAD_B 2

与上面类似，这会将内存地址2（0010）中的数据加载到CPU寄存器B。

第3 步-添加BA

现在，下一条指令是将这两个数字相加。此处，CU告诉ALU执行加法运算并将结果保存回寄存器A。

步骤4 — STORE_A 23

这是一组非常简单的说明，有助于将两个数字相加。

现在我们已经成功地添加了两个数字！ (๑❛ᴗ❛๑) (๑❛ᴗ❛๑)

下面介绍一些计算机术语

快取

CPU还具有一种将指令预取到其缓存的机制。

众所周知，处理器可以在一秒钟内完成数百万条指令。这意味着从RAM提取的指令要比执行指令花费更多的时间。因此，CPU高速缓存会预取一些指令以及数据，以便快速执行。

如果高速缓存和操作存储器中的数据不同，则将数据标记为脏位。

指令流水线

现代CPU使用指令流水线来并行执行指令，把 提取，解码，执行 当一条指令执行，当处于解码阶段时，CPU可以在提取阶段处理另一条指令。

但是当一条指令依赖于另一条指令时，这将产生一个问题。因此，处理器以不相同的顺序执行不相关的指令。

多核计算机

它基本上是不同的CPU，但是有一些共享资源，例如缓存。

性能

CPU的性能取决于其执行时间，性能= 1 /执行时间

假设一个程序执行需要20毫秒。CPU的性能为1/20 = 0.05ms，相对性能=执行时间1 /执行时间2

CPU性能要考虑的因素是指令执行时间和CPU时钟速度。因此，要提高程序的性能，我们要么需要提高时钟速度，要么需要减少程序中的指令数量。处理器速度有限，具有多核功能的现代计算机每秒可支持数百万条指令。但是，如果我们编写的程序有很多指令，则会降低整体性能。

大O表示法使用给定的输入确定如何影响性能。

CPU中进行了许多优化，以使其更快，性能尽可能高。在编写任何程序时，我们需要考虑减少提供给CPU的指令数量将如何提高计算机程序的性能。