《嵌入式工程师自我修养/C语言》系列——CPU是如何工作的？什么是冯·诺依曼架构和哈弗架构？

  • 一、CPU内部结构及工作原理
    • 1.1 CPU的结构
    • 1.2 CPU工作流程举例
  • 二、计算机体系结构
    • 2.1 冯·诺依曼架构
    • 2.2 哈弗架构
  • 三、总结

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一、CPU内部结构及工作原理

1.1 CPU的结构

  CPU内部构造很简单，宏观上划分为算术逻辑运算单元、控制单元和存储单元。程序代码存储在内部存储器（内存）中，CPU可以从内存中一条一条地取指令、翻译指令并执行它。

RAM、ROM、DRAM、SRAM、Flash、EMMC傻傻分不清？建议先阅读：>>>>>> 一文帮你快速区分常用存储器！<<<<<<

算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）：由算术单元和逻辑单元组成（他俩分别负责加、减、乘等数学运算以及与、或、非等逻辑运算），是处理器最核心的部件。ALU只是纯粹的运算单元，要想完成一个指令运行的整个流程，还需要控制单元的协助。

控制单元：通俗的讲，该部分会根据程序计数器PC中的地址，会不断地从内存RAM中取指令，放到指令寄存器中并进行译码，将指令中的操作码和操作数分别送到ALU，执行相应的运算。实际上，该单元还可以进一步划分，比如划分为：

  • 指令控制：完成取指令、分析指令、PC自增等操作，然后交给执行单元来执行；
  • 时序控制：主要分为时钟发生器、倍频定义单元，时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号，也就是CPU的主频，而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率（总线频率）的几倍；
  • 总线控制：控制地址总线、数据总线、控制总线等CPU的内外部总线；
  • 中断控制：控制各种各样的中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。

存储单元：主要包括通用寄存器（比如R0、R1. . .）、状态寄存器（CPSR）以及内部cache（缓存）。

  • 通用寄存器：用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果；
  • 状态寄存器：主要有两大功能，第一是存放当前指令执行结果的各种状态或条件码，比如结果是否为负、是否为0、是否进位、是否溢出等；其次就是存放控制信息，比如中断标志位；
  • cache：进行高速数据交换的存储器（为了解决CPU的工作频率与内存访问速度间差异过大导致的性能问题而存在，后文会解释）。

1.2 CPU工作流程举例

  假设通过高级语言编写的一行代码实现的功能是两个整数A、B相加，该程序代码经过编译器编译后，作为机器指令存储在内存RAM中，如下图所示；

 控制单元通过指令译码电路会将该指令分解为操作码和操作数，再根据操作数地址从内存RAM中加载数据A和B，传送到ALU的输入端，然后将操作运算类型（操作码）即加法也告诉ALU。ALU有了输入数据和操作类型，就可以直接进行相应的运算了，并输出运算结果。

  为了效率考虑，运算结果一般会先保存到寄存器中，然后由控制单元将该数据从寄存器存储（Store）到内存RAM中。至此，一个完整的加法指令执行流程就结束了，控制单元会继续取下一条指令，然后翻译指令、运行指令， 周而复始。

Tips:

  • 内存带宽的瓶颈会拖CPU的后腿，影响CPU的性能。为了提高性能，防止RAM拖后腿，CPU一般都会在内部配置一些寄存器，用来保存CPU在计算过程中的各种临时结果和状态值。
  • ALU在运算过程中，当运算结果为0、为负、数据溢出时，会有一些Flags标志位输出，这些标志位对控制单元特别有用，如一些条件跳转指令，其实就是根据运算结果的这些标志位进行跳转的。

二、计算机体系结构

  上文提到CPU内部的结构其实很简单，除了ALU、控制单元、寄存器和少量Cache，根本没有多余的空间存放我们编写的代码。因此我们通常将编写的程序（指令序列）存储在额外的内部存储器——内存RAM中（建议先阅读：>>>>>> 一文帮你快速区分常用存储器！<<<<<<）。

  但上文我们也提到，内存带宽瓶颈会影响CPU的性能，于是为了兼顾存储和效率，计算机系统一般会采用内存+外存的存储结构：程序指令保存在诸如磁盘、NAND Flash、SD卡等外部存储器中，当程序运行时，相应的程序会首先加载到内存，然后CPU从内存一条一条地取指令、翻译指令和运行指令。

  计算机主要用来处理数据。我们编写的程序，除了指令，还有各种各样的数据。指令和数据都需要保存在存储器中，根据保存方式的不同，计算机可分为两种不同的架构：冯·诺依曼架构和哈弗架构。

2.1 冯·诺依曼架构

  采用冯·诺依曼架构的计算机，其特点是程序中的指令和数据混合存储，存储在同一块存储器的不同物理地址上。

  一般我们会把指令和数据存放到外存储器中，当程序运行时，再把这些指令和数据从外存储器加载到内存储器（内存储器支持随机访问并且访问速度快，这里说的外存储器通常是flash、EMMC等，内存储器指的是RAM，通常为DRAM，再次建议先阅读：>>>>>> 一文帮你快速区分常用存储器！<<<<<<），如下图所示。

Tips:
 由于该架构结构简单，工程上容易实现，所以很多现代处理器都采用这种架构，如X86、ARM7、MIPS等。

2.2 哈弗架构

  采用哈弗架构的计算机，其特点是程序中的指令和数据被分开独立存储，它们分别被存放到程序存储器和数据存储器，如下图所示。

Tips:

  • 每个存储器都独立编址，独立访问，而且指令和数据可以在一个时钟周期内并行访问；
  • 使用该架构的处理器运行效率更高，但缺点是CPU实现会更复杂。8051系列单片机采用的就是哈弗架构。

三、总结

  综上所述，CPU是计算机的核心组件，它负责执行计算机程序中的指令。冯·诺依曼架构和哈弗架构是两种不同的计算机体系结构。

  冯·诺依曼架构的特点是将程序指令和数据存储在同一块内存中，通过一个共享的总线进行数据传输。这种结构的优点是简单易懂，容易实现，广泛应用于现代计算机系统中。而哈弗架构则是将指令和数据分开存储，通过不同的总线进行数据传输，这种结构可以提高计算机的并行处理能力。总的来说，他们都各有优劣，选择哪种架构取决于具体的应用场景和需求。

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