【基础知识】CPU详细整理（个人整理）

【基础知识】CPU详细整理（个⼈整理）
本⽂只是个⼈对cpu的理解，不建议浏览
提要
64位/32位操作系统，64/32指的是通⽤寄存器的位数。

定义
中央处理器（英語：Central Processing Unit，缩写：CPU）是计算机的主要设备之⼀，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

组成
：、（部件：、、、、）
：、（部件：、、、、、）
寄存器：100多个寄存器
CPU运⾏图（⾃⼰画的）
CPU的运作原理：取指令》译码》获取操作数》执⾏指令（ALU）》存储（寄存器）
1、取指令
取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将⼀条指令从主存中取到的过程。

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)+1->PC；若为双字长指令，则(PC)+2->PC，依此类推。

2．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。

在传统的设计⾥，CPU中负责指令译码的部分是⽆法改变的。

不过，在众多运⽤微程序控制技术的新型 CPU 中，微程序有时是可重写的。

3．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。

例如，如果要求完成⼀个加法运算，算术逻辑单元 ALU 将被连接到⼀组输⼊和⼀组输出，输⼊端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。

4．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。

5．结果写回阶段
作为最后⼀个阶段，结果写回（Writeback，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
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，体现并⾏处理的特性。

CPU的内部结构解析
CPU和内存是由许多晶体管组成的电⼦部件，通常称为IC（Integrated Circuit，集成电路）。

从功能⽅⾯来看，CPU的内部由寄存器，控制器，运算器和时钟四部分构成，各部分之间由电流信号相互连通。

寄存器：
可⽤来暂存指令，数据等处理对象，可以将其看做是内存的⼀种。

根据种类的不同，⼀个CPU内部会有20~100个寄存器。

使⽤⾼级语⾔编写的程序会在编译后转化成机器语⾔，然后通过CPU内部的寄存器来处理。

不同类型的CPU，其内部寄存器的数量，种类以及寄存器存储的数值范围都是不同的。

根据功能的不同，我们可以将寄存器⼤致划分为⼋类。

累加寄存器：存储执⾏运算的数据和运算后的数据。

标志寄存器：存储运算处理后的CPU的状态。

pc程序计数器：指令指针存储下⼀条指令所在内存的地址。

指令计数器是⽤于存放下⼀条指令所在单元的地址的地⽅。

为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执⾏下去，CPU必须具有某些⼿段来确定下⼀条指令的地址。

⽽正是起到这种作⽤，所以通常⼜称为指令计数器。

在程序开始执⾏前，必须将它的起始地址，即程序的⼀条指令所在的内存单元地址送⼊PC，因此程序计数器（PC）的内容即是从内存提取的第⼀条指令的地址。

当执⾏指令时，将⾃动修改PC的内容，即每执⾏⼀条指令PC增加⼀个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的总是将要执⾏的下⼀条指令的地址。

由于⼤多数指令都是按顺序来执⾏的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。

PC的维数⼀般和存储器地址寄存器MAR的维数⼀样。

当程序转移时，转移指令执⾏的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。

有些机器中也称PC为指令指针（Instruction Pointer）
基址寄存器：存储数据内存的起始地址。

变址寄存器：存储基址寄存器的相对地址。

通⽤寄存器：存储任意数据。

指令寄存器：存储指令。

CPU内部使⽤，程序员⽆法通过程序对该寄存器进⾏读写操作。

栈寄存器：存储栈区域的起始地址。

取指令：程序计数器是⽤于存放下⼀条指令所在单元的地址的地⽅。

当执⾏⼀条指令时，⾸先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中，此过程称为“取指令”
其中，程序计数器，累加寄存器，标志寄存器，指令寄存器和栈寄存器都只有⼀个，其他的寄存器⼀般有多个。

译码器：指令译码器的东西根据IR的内容⽣成很多的微操作指令，从⽽去控制其他部件已完成相应的功能
控制器：
负责把内存上的指令，数据等读⼊寄存器，并根据指令的执⾏结果来控制整个计算机。

运算器：
负责运算从内存读⼊寄存器的数据。

时钟：
负责发出CPU开始计时的时钟信号。

不过，也有些计算机的时钟位于CPU的外部。

CPU指令集是什么
微架构
微架构是指⼀套⽤于执⾏指令集的微处理器设计⽅法，每⼀个CPU都会⽤⽤⼀套微框架来处理指令集
MMU(Memory Management Unit)内存管理单元：
CPU 的主频：CPU 的主频是由⼀个晶体振荡器来实现的
⼀种硬件电路单元负责将虚拟内存地址转换为物理内存地址
所有的内存访问都将通过 MMU 进⾏转换，除⾮没有使能 MMU。

MMU（内存管理单元）：包括从逻辑地址到虚拟地址（线性地址）再到内存地址的变换过程、页式存储管理、段式存储管理、段页式存储管理、虚拟存储管理（请求分页、请求分段、请求段页）。

MMU位于CPU内部，可以假想为⼀个进程的所需要的资源都放在虚拟地址空间⾥⾯，⽽CPU在取指令时，机器指令中的地址码部分为虚拟地址（线性地址），需要经过MMU转换成为内存地址，才能进⾏取指令。

Swap模式时代
早期计算机在执⾏程序时，将程序从磁盘加载到内存执⾏中执⾏，在多⽤户系统中，当新的⽤户程序被执⾏前，需要先将当前⽤户的程序从内存swap到磁盘，然后从磁盘加载新的程序执⾏，当前⽤户退出后，在将前⼀⽤户程序从磁盘中加载到内存继续执⾏，每次⽤户切换伴随程序的swap，消耗较⼤。

Page模式时代
后来⼈们将内存划分为固定⼤⼩的Page，⼀般为4K或者更⼩，这样⽤户程序按需以Page的⽅式加载到内存，不需要将整个程序加载到内存，这样内存可同时容纳更多程序，⽽⽆需按照⽤户切换进⾏swap，提升了内存利⽤率和加载时间(PageFault是Page时代的产物，⽽⾮MMU时代独有)。

动态地址转换(DAT - Dynamic Address Translation)时代
最早可以追溯到1966年IBM研发的System/360-Model67，在该计算机的设计中⾸先引⼊了动态的地址转换机制，在Page模式基础上，为⽤户程序分配虚地址(VA)，通过DAT转换为物理地址(PA)进⾏访问。

通过好处是⽤户可以使⽤连续的地址，⽽不再受制于物理内存⼤⼩和Page碎⽚化的限制，原则上⽤户的程序只受磁盘⼤⼩限制，代价是增加虚实地址转换机制。

实现⽅式
采⽤segment、page、offset模式，将24-bit虚拟地址分为3段，0-7bit保留，8-11bit索引segment，⼀共16个segment，12-19bit 索引page，每个segment最多256个page，20-31bit为page offset，每个⽤户有⼀个虚实地址映射表，分为2级，即segment表和page表，每个segment指向⼀个page表。

转换过程
当CPU访问⼀个虚地址时，先通过VA的8-11bit查找segment表得到page表，再根据12-19bit在page表中找到PA的page起始地址，加上20-31bit的page offset就得到实际的PA了。

这就是MMU最早的雏形了。

现代MMU的实现
现代CPU的MMU的地址转换⽅式⼀般分为3种模式，即实地址模式、块地址转换、页地址转换。

现代MMU的实现
现代CPU的MMU的地址转换⽅式⼀般分为3种模式，即实地址模式、块地址转换、页地址转换。

实地址模式
即CPU状态位中MMU使能位清零，MMU处于关闭状态，此时CPU操作的地址不经过转换(VA=PA)，直接作为物理地址进⾏访
问，CPU上电时或者在异常⼊⼝时处于该状态，在该状态下可以访问任意物理内存，⾮常危险，⼀般操作系统在CPU上电后做完必要初始化以后便使能MMU，或者在异常处理的⼊⼝保存好必要信息后使能MMU。

块地址转换
或者成为固定的地址转换或静态配置的地址转换表，这种模式⽀持配置⼀些固定的内存地址映射(VPN->RPN)，⽐如Linux
Kernel加载的地址，以PowerPC604为例，0xC0000000这段地址开始的256M内存映射使⽤了该模式的转换，好处是这种配置转换速度快，⼀般在特定的寄存器中配置，没有页表查找过程，缺点是缺乏灵活性，⼀次配置永久使⽤。

页地址转换
类似于早期的动态地址转换DAT，即将VA的⼀部分bit⽤于索引segment，另外⼀部分bit⽤于索引PTE表，最终得到物理地址的Page起始地址，再加上最后12bit(4K)的Page offset得到真正的物理地址。

相⽐早期的DAT，有以下优化：
增加了PTE表的缓存TLB(Translation lookaside Buffer)，有些处理器将ITLB(指令)和DTLB(数据)分开，以减少指令和数据之间的缓存冲突。

⽀持更⼤的物理地址(36bit以上)或逻辑地址，如在PowerPC中，⽤以应对现代操作系统的多进程管理将32bit通过segment寄存器扩展为52bit的逻辑地址，然后通过hash函数得到key⽤来查找PTE，并最终转换为36bit物理地址，逻辑地址的扩展⽤于减少多进程之间的PTE冲突。

⽀持多种PTE查找⽅式，如硬件查找和软件查找。

MMU地址转换流程如下：
主要分为⼏个阶段：
⽤户进程访问虚存地址。

触发TLB查找过程，该部分通过硬件完成（灰⾊背景），没有软件参与。

TLB miss场景下，查找PTE（粉⾊背景），该部分在不同CPU上实现不同，像X86都是硬件查找，PowerPC有些处理器使⽤软件查找，即在内核实现⼀个TLB miss的异常处理，可以灵活做到TLB查找。

Do Page Fault，分为⼏种情况：
新申请内存第⼀次读写，触发物理内存分配
进程fork后⼦进程写内存触发Copy-On-Write。

⾮法内存读写，错误处理
汇编语⾔的的指令是和寄存器和运算器存储器⼀⼀对应的。

如，加法指令00000011写成汇编语⾔就是 ADD。

只要还原成⼆进制，汇编语⾔就可以被 CPU 直接执⾏，所以它是最底层的低级语⾔。

C# IL代码指令不是⼀⼀对应的。

IL的指令是组合出来的。

是对机器指令的抽象。