一文搞懂CPU的工作原理（下）：详解CPU的功能与运作方式

【干货】一文搞懂CPU的工作原理

中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）是一块由超大规模集成电路组成的运算和控制核心。主要功能是运行指令和处理数据。

CPU是计算机系统中的核心组件，从诞生到现在，主要在两个维度上做了很大的提升，一个是制造工艺，另一个是设计思想，需要回顾下计算机体系结构。

在第一台计算机诞生时，很多逻辑都是硬化在电路板上，软硬件耦合严重，这就导致一旦修改程序，就要重新组装电路板的问题，使得编程效率很低。当时，冯·诺依曼提出了一个至关重要的设计思路：计算机要有一定的逻辑结构，将软硬件分离，要求CPU顺序地从存储器中取出指令和数据，然后进行相应的计算。

其确定了计算机的五个基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。其中指令、数据都是存在主（内）存储器中，以便于CPU在工作时，能够高速地从存储器中提取指令，并加以分析和执行。程序、数据的最终形态都是二进制编码，存储在存储器中，二进制编码也是CPU能够识别、执行的编码。

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冯·诺依曼体系结构

其实，冯·诺依曼体系结构存在一些问题，但是人们在它之上做了改进：

1）指令和数据公用内存，即指令和数据都存在一个存储器上，并通过一个系统总线进行访问。由于主存的读写速度跟不上CPU运行速度，所以在CPU和主存间增加了高速缓存，并在L1高速缓存中区分了指令缓存和数据缓存，进一步提升系统总线访问速度。(扩充：为了解决指令和数据共用系统总线带来速度慢的问题，又提出了哈佛架构。即将指令和数据分别存放在不同的主存上，可以并行访问，但由于哈佛架构复杂，不适合外部主存的扩展，所以并未得到广泛应用。）

2）指令顺序指令：指令只能顺序，在一个pipe上运行。为了提升指令运行速度增加了，乱序执行、多级流水线、分支预测等功能。

目前，现在计算机的主流框架方案是采用CPU+外部存储，其中CPU内部包含CPU核心（Core）、内存映射单元（MMU）、缓存（Cache）等组成。

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CPU+外部存储的框架

1）CPU核心（Core）：根据指令进行各种处理的电子电路。一般由控制器、运算器、寄存器组成。

控制器，(Control Unit，简称CU），是计算机的指挥中心，只有在它的控制下，整个CPU才能够有条不紊地工作、自动执行程序。CU包括指令寄存器、指令计数器，其中指令寄存器存放当前正在执行的指令，指令计数器总是指向下一条要执行指令的地址。

运算器，是一个负责算术运算和逻辑运算的模块。主要包含算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，简称ALU）和浮点运算单元（Floating Point Unit，简称FPU）。ALU的主要功能：在控制信号的作用下，完成加、减、乘、除等算术运算，以及与、或、非、异或等逻辑运算以及移位、补位等运算。FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能。

寄存器，主要功能是存储数据、地址及指令，并且能够高速、自动地完成数据的存储。寄存器是有记忆功能的器件，而且采用两种稳定状态0或1来记录数据信息，所以CPU中的程序和数据，都要转换为二进制才可以存储和操作。寄存器也是由与、或、非逻辑门电路组成的。

2）内存映射单元（Memory Map Unit，简称MMU），指的是将虚拟地址转化成物理地址的模块。MMU包含了两个模块：页表查找表（Table Lookup Buffer，简称TLB）和页表遍历单元（Table Walk Unit，简称TWU）。

TLB是一个高速缓存，用于缓存页表转换的结果，从而减少页表查询的时间。一个完整的页表翻译和查找的过程叫做页表查询，页表查询是通过硬件模块TWU自动完成的，但是页表的维护需要软件来完成，且存放在主存中，因此页表查询是一个耗时的过程。当TLB未命中时，MMU才会通过TWU查询页表，从而得到翻译后的物理地址，这个虚拟地址及物理地址的映射也会存储在TLB中。

当TLB中缓存要访问的虚拟地址到物理地址的转换关系的时候，就可以直接找到的物理地址，通过该物理地址在L1 cache中查找数据。如果TLB中没有缓存要访问虚拟地址对应的物理地址，这时会通过页表遍历单元（TWU模块）遍历主存中的页表，查找相应的物理地址，找到后再通过这个物理地址访问L1 cache。

3）缓存（Cache）：主要作用是CPU与主存的缓冲层，那么Cache的速度应该接近于CPU