计算机漫游3-Computer Systems笔记之CPU

CPU是整个计算机最核心的工作车间，控制着整个计算机的运算和指令，每次开机CPU就会主动通过电话线（系统总线）到电话中转局（IO桥）接通主存索取指令，主存就直到要开始工作了，然后把第一条工作命令（存放在地址0xFFFFFFF0）发给CPU，接着让我们看看CPU到底是怎样工作的

问：CPU，你先简单介绍下自己吧

CPU：好的，我们全称是“Central Processing Unit（中央处理器）”能看出我们在计算机中重要的核心地位——我们控制着整个计算机的运算和指令。

Tip：CPU有许多不同的名称，例如，处理器（processor）、计算机处理器（Computer processor）、微处理器（microprocessor）、中央处理器（Central processor）、计算机的大脑（the brains of the computer）等。

说着，CPU领我们去了它的工作车间外面，

“主板城对我们CPU可好了，专门提供了一个CPU插槽给我们，我们就直接连接到插槽就能进行工作了。正如你们看到的，我们外形就是一个小小的方形块，底部有许多短短的圆形金属连接器，在很久以前，都是针脚，稍有个磕碰啥的就坏掉了”

CPU_Intel_80486DX2_bottom（底部为圆角金属连接器）

在CPU车间外面，采访者看到一堆堆的数据从北桥（NorthBridge）中传到系统总线（数据总线、控制总线、地址总线合称）超快地传到CPU车间里头，同时又有一堆堆数据以疯狂的速度从CPU车间出来，采访者都一脸惊讶，这速度也太快了吧！

数据经由北桥和系统总线进入CPU

CPU的倍频技术

”哈哈，这完全得益于‘倍频技术’。因为我们处理的速度过快，且我们与主板城其他家伙都是通过系统总线和南北IO桥在联系，而其他家伙比如说硬盘，尽管他存储空间大，但是速度太慢了，经常我们要执行拷贝一个文件到硬盘需要几分钟甚至几十分钟。这就好比一群人共同处理一个连续作业，如果这一群人里面有个人的动作特别快或特别慢，将导致前面或者后面的人事情一堆处理不完！主人就想着要是能让我们（主要是CPU和系统总线）速度差不多就好了，又因为很多判断与数据都是在我们内部处理的，因此主人就在我们内部加上一个加速功能——倍频技术，使得系统总线即使工作在相对较低的频率上，而我们CPU的速度能通过倍频来无限提升。

再说说你们常常听见的‘外频’，外频就是我们与主板其他家伙进行交流（数据传输）时的速度啦，将倍频和外频相乘（CPU频率=倍频×外频），就是我们的工作频率。举个栗子，Intel Core 2 Duo E8400 CPU的频率是3.0GHz，外频是333MHz，那它的倍频就是9倍（3.0GHz = 333MHz×9，其中1G取1000M）”

可以看出CPU寄存器速度是最快的

CPU边眉飞色舞地说着，边带着我们进入了它的工作车间。

CPU的物理结构

CPU内部结构（摘自中关村在线网）

采访者被车间内部繁多而又有条理的机器运作吓了一跳，这么复杂啊！看到地上还有好多线连接着各个机器，“这就是我们的工作车间，你们初来乍到，别想得这么复杂，我给你们简化一下”，说着，CPU就拿出了一张纸随手画了起来：

CPU内部结构简化

“你看，可以简单地把这些机器分为三部分——

第一部分是‘运算器’：在图上就标了两个重要的部件——算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），累加寄存器（AC），其实还有数据缓冲寄存器（DR）和状态条件寄存器，它平时呢就是做一些数据加工处理，完成计算机的各种算术和逻辑运算，运算器这家伙的工作是由控制器下达的，运算器平时就等着控制器给他下发控制信号，收到后就开始一丝不苟地工作；

第二部分就是给’运算器‘下发命令的’控制器‘啦：你们都知道CPU控制整个计算机的运行，那么控制器就控制着整个CPU的工作，换句话说，控制器决定了计算机运行过程的自动化。控制器绝对是最让人省心的，它不仅保证程序正确运行，还能够自己处理异常事件。其实控制器能这么有效工作，得益于它内部的四个逻辑——

    时序控制逻辑：给每条指令按时间顺序提供应有的控制信号，就是给每条指令按着先后顺序排一个队。

    总线逻辑：好比人类工厂通过传送带运输货物一样，在CPU里头各机器间是通过总线运输货物传递信息的（看图上的箭头）。如果不加以逻辑控制，就很容易乱套，比如数据本来应该先去累加器里头，结果被送进了指令寄存器，CPU完全无法工作了嘛，所以就有了一套总线逻辑，专门负责管理控制给多个功能部件服务的信息通路。

    中断控制逻辑：CPU平时要处理太多（中断）请求了，而且常常因为怠慢了vip客户（优先级高的请求）被投诉，于是就有了中断控制逻辑，专门判断谁是vip，谁是普通用户（即判断优先级高低）然后对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。

    指令控制逻辑：负责取指令，分析指令和执行指令。”

采访者：CPU，你还有个部分没说呢！第三部分是什么啊

CPU：哦哦，第三部分可复杂了，先简单说两句吧，以后我们开个茶话会慢慢讲，第三部分就是“寄存器组”了，英文名叫“Register file”，寄存器速度是最快的，包括”通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器“，用来保存指令执行过程中临时存放的数据。

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CPU终于把他家的物理结构讲了个大概

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采访者：CPU，聊聊你们怎么工作的吧

CPU：其实我们就主要负责处理和运行指令，干我们这行呢，工作时间是不固定的，当主人开机的时候，我们就被一股电流叫醒工作了。清醒后呢，就赶紧发出命令给主存索取指令，命令经由系统总线，再经过北桥到达主存，主存就慢悠悠地把它最顶端（地址0xFFFFFFF0）处的命令再慢悠悠地通过北桥、系统总线给我发过来。收到指令一看，发现是每次工作必做的第一件事——去ROM大楼的BIOS家叫他起床工作。

BIOS与ROM

采访者一脸疑惑盯着CPU：CPU，ROM是啥啊，BIOS又是啥啊？

CPU：ROM就是只读存储器（Read Only Memory）啦，是常驻主板上的一个内存芯片。它可厉害了，像我在断电后所有记忆都消失了，主存兄弟也是，断了电就啥也没了，外面的人叫我们这种为”挥发性存储“，但是ROM在没通电时也能够将数据记录下来，是”非挥发性存储”，因为这个特点，有许多固件（firmware）啊都居住在ROM大楼中；BIOS兄弟就更厉害了，他掌握了计算机硬件的详细信息和开机设备选择（比如你要通过U盘启动电脑的时候就得进入BIOS）等，通常开机后我们第一件事情就是去叫醒BIOS兄弟让他看看主存、硬盘、显卡等老家伙有没有出啥问题。

时间不早了，剩下的内容我们下次再聊吧。