处理器结构

处理器硬件结构

现代计算机结构处理过程：

• 输入设备输入数据，存储器存储输入数据
• 控制器接收指令控制存储器将数据送入ALU进行计算
• 控制器接收指令将计算后的结果存入存储器
• 控制器接收指令将存储器数据输出到输出设备

冯诺依曼结构

所有复杂运算都是通过简单运算组合而成。而CPU中最核心的部分为ALU。

ALU(算数逻辑单元)：主要由与门和或门构成，用来进行二进制数据的计算。

处理器模型

ISA:指令集体系架构，也是目前使用的最广的CPU体系架构。主要包括一套指令集以及一些寄存器，而程序员针对这些指令集以及寄存器进行编程，而不需要关心具体的硬件。

在PC上，大部分用的Intel和AMD处理器都是基于x86指令集，而嵌入式设备上的程序大部分使用的AMR指令集。

处理器

• 指令集体系结构：x86，arm，armv7，mips等
• 处理器微架构：NetBurst等
• 处理器物理实现：20nm/40mn的集成电路工艺，电子计算机，量子计算机等

而处理器除了内核外，还有其他很多东西，如I/O，电源，电池，时钟等等。

处理器结构

CPU硬件指标

MIPS：每秒执行指令数，而实际中该值会偏低，因为实际情况中会遇到并行，Cache Miss，通信效率，总线冲突等问题。

功耗：现在设备中CPU与显卡功耗非常大

指令集体系结构

处理器模型： 例如C=A+B;语句：

• 操作数：C，B，A均为操作数，操作数存储在主存中

由于从Memory访问数据很慢，于是CPU在ALU附近加入了寄存器，用来存储计算中产生的中间数据，避免将这些数据存入主存再读取的耗时

• 操作码(op)：+为操作码

处理器模型

对于C=A+B可以分为以下指令执行：

load R3，#0；// 加载#0地址存储的数据到R3寄存器
load R2，#1；   // 加载#1地址存储的数据到R2寄存器
add R0，R3，R2；// 将R3，R2寄存器的数据相加保存到R0寄存器中
store R0，#2；// 将R0寄存器中的数据保存到#2地址

其中load，add，store为指令，R0，R1，R2，R3为寄存器，#1，#2为主存地址

这种指令的写法就是汇编语言，处理器公司也会对外发布指令集手册，而这手册也是使用汇编语言来描述。

而计算机无法理解load，store等指令，也不知道具体的寄存器为R1，R0，计算机只知道0和1，所以最终编译过后每一条指令均如01011101011001，代表着load R3 ，#0;

最初程序员直接写汇编语言来进行程序开发，直到Fortran的出现，才出现了高级语言，能让程序员从解放出来。

高级语言的转换

指令集的发展

CISC：复杂指令集，提供了很多与高级语言以及特性相关的指令（如复杂的寻址模式，直接对应的指针运算）等，导致指令集非常庞大。而x86的CPU仍然在使用CISC指令集。

RISC：精简指令集，相对于CISC来说减少了许多直接的指令，只保留了常用的简单的指令。如Mips，Arm，Power等CPU使用RISC指令集。

RISC使得CPU不需要浪费大量的晶体管来做复杂而又较少使用的功能，X86的指令集有1000多页，而RISC指令集手册只有200页左右，并且精简指令集的大部分指令都可以在1个cycle执行完，并且使用了定长编码，使得指令译码的过程变得简单，并且CPU的频率得到了大幅度的提升

可是CISC的一条指令对应着多条RISC指令，所以在执行复杂操作的时候，RISC指令集使得CPU与存储器之间的数据交换增多，而存储器的速度远远低于CPU执行速度，比较容易导致性能恶化

PS：芯片的制程工艺（32nm，22nm）决定了芯片内部晶体管的数量，晶体管数量越多，则芯片能完成的任务也就越多

手机上的CPU大部分用的是ARM，无论是高通还是TI，还是三星使用的还是ARM内核。因为ARM在设计之初就将低功耗，低成本的优先级放在了高性能之前。

ARM自己不生产芯片，而是向半导体公司提供指令集与内核授权，让半导体公司生产ARM指令集的芯片。

计算机字长（Word）

16位计算机的字长为16bit。 32位计算机的字长为32bit。 64位计算机的字长为64bit。

字长代表着处理器一次处理数据的长度，主要由运算器和寄存器决定。

32位处理器，每个寄存器都可以存储32位的数据，而加法器可以支持两个32位的数据相加

image.png