為了了解CPU的完整工作過程，我們需要知道兩件事，第一，CPU是如何獲取到指令的；第二，CPU是如何執(zhí)行指令的。

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目錄

一、CPU和內(nèi)存的交互方式

1、地址空間的概念

2、CPU的取值過程

二、CPU內(nèi)部的執(zhí)行過程

1、CPU的基本組成

2、CPU的指令執(zhí)行過程

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一、CPU和內(nèi)存的交互方式

這里我們要從整體的角度了解CPU是如何從內(nèi)存中獲取到指令或者數(shù)據(jù)的。

1、地址空間的概念

一個處理器能夠訪問（讀寫）的存儲空間是有限的，我們稱這個空間為地址空間（尋址空間），地址空間的大小跟地址總線的數(shù)目有關(guān)。

假設(shè)有一個8G的內(nèi)存，地址總線為32，那么CPU可以訪問到的大小也只是 2^32 ≈ 4G。

2、CPU的取值過程

為了簡化過程，假設(shè)地址總線只有2根（2 bit）。CPU要從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，是通過地址獲取的，即通過地址總線把地址發(fā)送給內(nèi)存，內(nèi)存再通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳遞給CPU。

假設(shè)CPU要獲取 0x04地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)，那么CPU就會通過地址總線發(fā)送 11，內(nèi)存就會通過數(shù)據(jù)總線返回 0x04對應(yīng)的數(shù)據(jù)。但是介于地址總線的數(shù)目是2，CPU可以訪問的地址只能是00 ~ 11，即0x00~0x04，這也就是為什么處理器可以訪問的存儲空間是有限的。

二、CPU內(nèi)部的執(zhí)行過程

這里我們將進(jìn)入CPU內(nèi)部了解CPU獲取到指令以后，是如何執(zhí)行指令的。

1、CPU的基本組成

CPU主要由兩部分組成：控制器 和 運(yùn)算器

控制器：CPU的指揮中心，控制著整個CPU執(zhí)行程序的邏輯過程。比如CPU從內(nèi)存獲取哪條指令、下一步要執(zhí)行哪條指令都是由控制器決定的。

運(yùn)算器：負(fù)責(zé)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，其核心是算術(shù)邏輯單元ALU。比如CPU從內(nèi)存獲取到了乘法指令，運(yùn)算器拿到以后，就會運(yùn)行對應(yīng)的乘法單元。

2、CPU的指令執(zhí)行過程

以CPU執(zhí)行一條乘法運(yùn)算為例，我們跳過CPU獲取乘數(shù)和被乘數(shù)的過程，下面重點(diǎn)來介紹CPU獲取并執(zhí)行乘法指令的過程。CPU的指令執(zhí)行分為三步：

• 取指：從內(nèi)存中獲取到乘法指令
• 譯碼：識別上一步獲取到的指令，將指令解析成具體的運(yùn)算。
  • 站在CPU的角度，它并不知道這是什么指令，如果不知道這是什么指令，也就無法將其送入到對應(yīng)的運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算。
• 執(zhí)行：控制器控制運(yùn)算器中對應(yīng)的運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入寄存器，指令計數(shù)器中的地址會自增。

(1) 取指

指令計數(shù)器PC 中每次存放著下一次執(zhí)行指令的地址，CPU將地址通過地址總線發(fā)送給內(nèi)存，內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線將地址對應(yīng)的內(nèi)容返回給CPU，CPU將指令保存到指令寄存器IR中，這就完成了一次取指的過程。

(2) 譯碼

CPU現(xiàn)在已經(jīng)拿到了要執(zhí)行的指令，但是CPU并不知道這是什么指令，因此需要把指令送到指令譯碼器進(jìn)行解析。

(3) 執(zhí)行

經(jīng)過指令譯碼器的解析，CPU知道這是一個乘法指令，于是就把這條乘法指令送到運(yùn)算器的乘法運(yùn)算單元，經(jīng)過運(yùn)算得到的結(jié)果會保存到寄存器中。

指令執(zhí)行完畢以后，CPU會為下一次取指令做準(zhǔn)備，指令計數(shù)器中的地址會自增。（這里先這樣理解，后面了解指令流水線后，當(dāng)譯碼器在譯碼的時候，PC就已經(jīng)閑下來了，這時PC就已經(jīng)自增來取下一條指令了）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU工作原理概述的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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