【基礎知識】 CPU 詳細整理(個人整理)

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提要

64位/32位操作系統，64/32指的是通用寄存器的位數。

定義

中央處理器 （英語：Central Processing Unit，縮寫：CPU）是計算機的主要設備之一，功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。

組成

• 運算器：算術、邏輯（部件：算術邏輯單元、累加器、寄存器組、路徑轉換器、數據總線）
• 控制器：復位、使能（部件：計數器、指令寄存器、指令解碼器、狀態寄存器、時鍾發生器、微操作信號發生器）
• 寄存器：100多個寄存器

CPU運行圖（自己畫的）

CPU的運作原理：取指令》譯碼》獲取操作數》執行指令（ALU）》存儲（寄存器）

 

 

 

 

1、取指令

取指令（Instruction Fetch，IF）階段是將一條指令從主存中取到指令寄存器的過程。 程序計數器 PC 中的數值，用來指示當前指令在主存中的位置。當一條指令被取出后，PC 中的數值將根據指令字長度而自動遞增：若為單字長指令，則(PC)+1->PC；若為雙字長指令，則(PC)+2->PC，依此類推。

2．指令譯碼階段

取出指令后，計算機立即進入指令譯碼（Instruction Decode，ID）階段。 在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區分出不同的指令類別以及各種獲取操作數的方法。在組合邏輯控制的計算機中，指令譯碼器對不同的指令操作碼產生不同的控制電位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的計算機中，指令譯碼器用指令操作碼來找到執行該指令的微程序的入口，並從此入口開始執行。 在傳統的設計里，CPU中負責指令譯碼的部分是無法改變的。不過，在眾多運用微程序控制技術的新型 CPU 中，微程序有時是可重寫的。

3．執行指令階段

在取指令和指令譯碼階段之后，接着進入執行指令（Execute，EX）階段。 此階段的任務是完成指令所規定的各種操作，具體實現指令的功能。為此，CPU 的不同部分被連接起來，以執行所需的操作。 例如，如果要求完成一個加法運算，算術邏輯單元 ALU 將被連接到一組輸入和一組輸出，輸入端提供需要相加的數值，輸出端將含有最后的運算結果。

4．訪存取數階段

根據指令需要，有可能要訪問主存，讀取操作數，這樣就進入了訪存取數（Memory，MEM）階段。 此階段的任務是：根據指令地址碼，得到操作數在主存中的地址，並從主存中讀取該操作數用於運算。

5．結果寫回階段

作為最后一個階段，結果寫回（Writeback，WB）階段把執行指令階段的運行結果數據“寫回”到某種存儲形式：結果數據經常被寫到 CPU 的內部寄存器中，以便被后續的指令快速地存取；在有些情況下， 結果數據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字寄存器

中標志位 的狀態，這些標志位標識着不同的操作結果，可被用來影響程序的動作。

在指令執行完畢、結果數據寫回之后，若無意外事件（如結果溢出等）發生，計算機就接着從程序計數器 PC 中取得下一條指令地址，開始新一輪的循環，下一個指令周期將順序取出下一條指令。許多新型 CPU 可以同時取出、譯碼和執行多條指令，體現並行處理的特性。

CPU的內部結構解析

CPU和內存是由許多晶體管組成的電子部件，通常稱為IC（Integrated Circuit，集成電路）。從功能方面來看，CPU的內部由寄存器，控制器，運算器和時鍾四部分構成，各部分之間由電流信號相互連通。

寄存器：

可用來暫存指令，數據等處理對象，可以將其看做是內存的一種。根據種類的不同，一個CPU內部會有20~100個寄存器。

使用高級語言編寫的程序會在編譯后轉化成機器語言，然后通過CPU內部的寄存器來處理。不同類型的CPU，其內部寄存器的數量，種類以及寄存器存儲的數值范圍都是不同的。根據功能的不同，我們可以將寄存器大致划分為八類。

累加寄存器：存儲執行運算的數據和運算后的數據。

標志寄存器：存儲運算處理后的CPU的狀態。

pc程序計數器：指令指針 存儲下一條指令所在內存的地址。

指令計數器是用於存放下一條指令所在單元的地址的地方。

為了保證程序(在操作系統中理解為進程)能夠連續地執行下去，CPU必須具有某些手段來確定下一條指令的地址。而 程序計數器正是起到這種作用，所以通常又稱為指令計數器。在程序開始執行前，必須將它的起始地址，即程序的一條指令所在的內存單元地址送入PC，因此程序計數器（PC）的內容即是從內存提取的第一條指令的地址。當執行指令時， CPU將自動修改PC的內容，即每執行一條指令PC增加一個量，這個量等於指令所含的字節數，以便使其保持的總是將要執行的下一條指令的地址。由於大多數指令都是按順序來執行的，所以修改的過程通常只是簡單的對PC加1。PC的維數一般和存儲器地址寄存器MAR的維數一樣。

當程序轉移時，轉移指令執行的最終結果就是要改變PC的值，此PC值就是轉去的地址，以此實現轉移。有些機器中也稱PC為指令指針IP（Instruction Pointer）

基址寄存器：存儲數據內存的起始地址。

變址寄存器：存儲基址寄存器的相對地址。

通用寄存器：存儲任意數據。

指令寄存器：存儲指令。CPU內部使用，程序員無法通過程序對該寄存器進行讀寫操作。

棧寄存器：存儲棧區域的起始地址。

取指令：程序計數器是用於存放下一條指令所在單元的地址的地方。當執行一條指令時，首先需要根據PC中存放的指令地址，將指令由內存取到指令寄存器中，此過程稱為“取指令”

其中，程序計數器，累加寄存器，標志寄存器，指令寄存器和棧寄存器都只有一個，其他的寄存器一般有多個。

譯碼器：指令譯碼器的東西根據IR的內容生成很多的微操作指令，從而去控制其他部件已完成相應的功能

控制器：

負責把內存上的指令，數據等讀入寄存器，並根據指令的執行結果來控制整個計算機。

運算器：

負責運算從內存讀入寄存器的數據。

時鍾：

負責發出CPU開始計時的時鍾信號。不過，也有些計算機的時鍾位於CPU的外部。

 

詳細內如：https://www.cnblogs.com/cdaniu/p/15620020.html

CPU指令集是什么

詳細查看：https://www.cnblogs.com/cdaniu/p/15625234.html

微架構

微架構是指一套用於執行指令集的微處理器設計方法，每一個CPU都會用用一套微框架來處理指令集

詳細請看：https://www.cnblogs.com/cdaniu/p/15625508.html

MMU(Memory Management Unit)內存管理單元：

CPU 的主頻：CPU 的主頻是由一個晶體振盪器來實現的

一種硬件電路單元負責將虛擬內存地址轉換為物理內存地址

所有的內存訪問都將通過 MMU 進行轉換，除非沒有使能 MMU。

MMU（內存管理單元）：包括從邏輯地址到虛擬地址（線性地址）再到內存地址的變換過程、頁式存儲管理、段式存儲管理、段頁式存儲管理、虛擬存儲管理（請求分頁、請求分段、請求段頁）。 MMU位於CPU內部，可以假想為一個進程的所需要的資源都放在虛擬地址空間里面，而CPU在取指令時，機器指令中的地址碼部分為虛擬地址（線性地址），需要經過MMU轉換成為內存地址，才能進行取指令。

• Swap模式時代

• 早期計算機在執行程序時，將程序從磁盤加載到內存執行中執行，在多用戶系統中，當新的用戶程序被執行前，需要先將當前用戶的程序從內存swap到磁盤，然后從磁盤加載新的程序執行，當前用戶退出后，在將前一用戶程序從磁盤中加載到內存繼續執行，每次用戶切換伴隨程序的swap，消耗較大。

 

 

 Page模式時代

后來人們將內存划分為固定大小的Page，一般為4K或者更小，這樣用戶程序按需以Page的方式加載到內存，不需要將整個程序加載到內存，這樣內存可同時容納更多程序，而無需按照用戶切換進行swap，提升了內存利用率和加載時間(PageFault是Page時代的產物，而非MMU時代獨有)。

 

• 動態地址轉換(DAT - Dynamic Address Translation)時代

• 最早可以追溯到1966年IBM研發的System/360-Model67，在該計算機的設計中首先引入了動態的地址轉換機制，在Page模式基礎上，為用戶程序分配虛地址(VA)，通過DAT轉換為物理地址(PA)進行訪問。通過好處是用戶可以使用連續的地址，而不再受制於物理內存大小和Page碎片化的限制，原則上用戶的程序只受磁盤大小限制，代價是增加虛實地址轉換機制。

  • 實現方式
    采用segment、page、offset模式，將24-bit虛擬地址分為3段，0-7bit保留，8-11bit索引segment，一共16個segment，12-19bit索引page，每個segment最多256個page，20-31bit為page offset，每個用戶有一個虛實地址映射表，分為2級，即segment表和page表，每個segment指向一個page表。

  • 轉換過程
    當CPU訪問一個虛地址時，先通過VA的8-11bit查找segment表得到page表，再根據12-19bit在page表中找到PA的page起始地址，加上20-31bit的page offset就得到實際的PA了。

這就是MMU最早的雛形了。

 

 

 

現代MMU的實現

現代CPU的MMU的地址轉換方式一般分為3種模式，即實地址模式、塊地址轉換、頁地址轉換。

 

 

 

現代MMU的實現

現代CPU的MMU的地址轉換方式一般分為3種模式，即實地址模式、塊地址轉換、頁地址轉換。

 

 

 

• 實地址模式

• 即CPU狀態位中MMU使能位清零，MMU處於關閉狀態，此時CPU操作的地址不經過轉換(VA=PA)，直接作為物理地址進行訪問，CPU上電時或者在異常入口時處於該狀態，在該狀態下可以訪問任意物理內存，非常危險，一般操作系統在CPU上電后做完必要初始化以后便使能MMU，或者在異常處理的入口保存好必要信息后使能MMU。

• 塊地址轉換

• 或者成為固定的地址轉換或靜態配置的地址轉換表，這種模式支持配置一些固定的內存地址映射(VPN->RPN)，比如Linux Kernel加載的地址，以PowerPC604為例，0xC0000000這段地址開始的256M內存映射使用了該模式的轉換，好處是這種配置轉換速度快，一般在特定的寄存器中配置，沒有頁表查找過程，缺點是缺乏靈活性，一次配置永久使用。

• 頁地址轉換

• 類似於早期的動態地址轉換DAT，即將VA的一部分bit用於索引segment，另外一部分bit用於索引PTE表，最終得到物理地址的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，有以下優化：

• 增加了PTE表的緩存TLB(Translation lookaside Buffer)，有些處理器將ITLB(指令)和DTLB(數據)分開，以減少指令和數據之間的緩存沖突。

• 支持更大的物理地址(36bit以上)或邏輯地址，如在PowerPC中，用以應對現代操作系統的多進程管理將32bit通過segment寄存器擴展為52bit的邏輯地址，然后通過hash函數得到key用來查找PTE，並最終轉換為36bit物理地址，邏輯地址的擴展用於減少多進程之間的PTE沖突。

• 支持多種PTE查找方式，如硬件查找和軟件查找。

                   MMU地址轉換流程如下：

 

 

 

主要分為幾個階段：

• 用戶進程訪問虛存地址。
• 觸發TLB查找過程，該部分通過硬件完成（灰色背景），沒有軟件參與。
• TLB miss場景下，查找PTE（粉色背景），該部分在不同CPU上實現不同，像X86都是硬件查找，PowerPC有些處理器使用軟件查找，即在內核實現一個TLB miss的異常處理，可以靈活做到TLB查找。
• Do Page Fault，分為幾種情況：
  • 新申請內存第一次讀寫，觸發物理內存分配
  • 進程fork后子進程寫內存觸發Copy-On-Write。
  • 非法內存讀寫，錯誤處理

 

 

 

 

匯編語言的的指令是和寄存器和運算器 存儲器一 一對應的。如，加法指令00000011寫成匯編語言就是 ADD。只要還原成二進制，匯編語言就可以被 CPU 直接執行，所以它是最底層的低級語言。

C# IL代碼指令不是一 一對應的。IL的指令是組合出來的。是對機器指令的抽象。

內容來源：https://my.oschina.net/u/4274516/blog/3522193

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