一文了解CPU是如何實現(xiàn)存儲的

為了了解CPU如何獲得其處理能力，讓檢查CPU的實際功能以及它與數(shù)據(jù)的接口方式。在數(shù)字電子學中，一切都由二進制“位”表示。它是兩種可能狀態(tài)的基本表示。一個位可以表示零或一，對或錯、向上或向下、接通或斷開、關(guān)閉或任何其他雙向值。

在CPU中，“位”在物理上作為電壓電平傳輸。如果我們將多個“位”組合在一起，我們現(xiàn)在可以表示離散狀態(tài)的更多組合。例如，如果我們將八位組合在一起，我們形成所謂的字節(jié)。一個字節(jié)可以代表256個不同的狀態(tài)，可以是用于表示數(shù)字。對于字節(jié)，可以表示0到255之間的任何數(shù)字。但是在CPU中，我們?nèi)绾芜x擇表示數(shù)據(jù)完全具有延展性。同一字節(jié)也可以代表-128到127之間的數(shù)字。該字節(jié)的其他表達可能是顏色或聲音級別。當我們將多個字節(jié)組合在一起時，我們創(chuàng)建所謂的單詞。單詞以其位容量表示。創(chuàng)建處理器時，其要處理的本機字長構(gòu)成其架構(gòu)的核心。原始的Intel 4004處理器以4位字運行。這意味著通過CPU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會傳入一次四位的大塊。通過使用更大的字長，我們可以表示更多的離散狀態(tài)因此數(shù)量更大。在所有表格中，數(shù)據(jù)可以帶入CPU內(nèi)部，其中最重要的是一個是指令。指令是數(shù)據(jù)的唯一位，它們被解碼并由CPU作為操作執(zhí)行。一個常見指令的示例是添加兩個單詞一起取值或從一個位置移動一個數(shù)據(jù)字記憶到另一個位置。

CPU支持的指令的完整列表稱為它的指令集。每條指令的二進制表示形式，其機器通常為代碼分配人類可讀的表示形式被稱為匯編語言。如果我們看大多數(shù)CPU的指令集，它們都傾向于專注于對數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)學或邏輯運算，測試條件或?qū)⑵鋸囊粋€位置移動到內(nèi)存中的另一個位置。出于所有目的和目的，我們可以將CPU視為指令處理機。

他們通過以下三個基本步驟進行操作，獲取，解碼和執(zhí)行。隨著CPU設(shè)計的發(fā)展，這三個步驟變得更加復(fù)雜并實施了擴展此核心運營模式的技術(shù)。但是，為了充分欣賞這些進步，讓我們先探索一下基本的CPU操作機制。

今天被稱為“經(jīng)典的精簡指令集計算機”或[RISC]管道”，這種范例構(gòu)成了第一個CPU的基礎(chǔ)設(shè)計。在提取階段，CPU加載它將執(zhí)行的指令被執(zhí)行。可以將CPU視為存在于信息氣泡中。它從自身外部提取指令和數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作在自己的內(nèi)部環(huán)境中，然后將數(shù)據(jù)返回。此數(shù)據(jù)通常存儲在CPU外部的內(nèi)存中，該內(nèi)存稱為隨機存取存儲器或[RAM]。軟件指令和數(shù)據(jù)從以下位置加載到RAM中更多永久性資源。

當CPU加載一個數(shù)據(jù)字時，它通過請求RAM中某個位置的內(nèi)容。這稱為數(shù)據(jù)的地址。確定一次CPU可以處理的數(shù)據(jù)量通過其地址容量。例如，一個4位地址只能直接尋址16個數(shù)據(jù)位置。存在用于處理比CPU地址容量更多的數(shù)據(jù)的機制，但現(xiàn)在暫時忽略這些。數(shù)據(jù)來回移動到RAM的機制稱為總線。CPU和RAM的每一位數(shù)據(jù)都有自己的通道，以容納數(shù)據(jù)字和地址字。這些分別稱為數(shù)據(jù)總線和地址總線。當CPU發(fā)出RAM訪問請求時，將進行內(nèi)存控制CPU的區(qū)域?qū)⒋鎯ψ旨虞d到地址總線解決它希望訪問的地址。然后，它觸發(fā)一條控制線，該信號線發(fā)出存儲器讀取請求。收到此請求后，RAM用內(nèi)容填充數(shù)據(jù)總線所請求的內(nèi)存位置?，F(xiàn)在，CPU在總線上看到此數(shù)據(jù)。使用CPU將數(shù)據(jù)寫入RAM的工作方式類似而是發(fā)布到數(shù)據(jù)總線。當RAM收到“寫”信號時，數(shù)據(jù)內(nèi)容總線被寫入地址總線所指向的RAM位置。要提取的存儲位置的地址存儲在CPU中，在一種稱為寄存器的機制中。寄存器是一個高速內(nèi)部存儲器字，它被用作寄存器。CPU操作的“記事本”。通常用作說明的臨時數(shù)據(jù)存儲但也可以分配給重要的CPU功能，例如跟蹤正在RAM中訪問的當前地址。由于它們是先天設(shè)計在CPU硬件中的，因此大多數(shù)只有少數(shù)幾個寄存器。

它們的字長通常與CPU的本機體系結(jié)構(gòu)耦合。一旦將一個內(nèi)存字讀入CPU，用于存儲的寄存器該字的地址（稱為程序計數(shù)器）將增加。在下一次提取時，它將按順序檢索下一條指令。從RAM訪問數(shù)據(jù)通常是CPU操作的瓶頸。這是由于需要與組件接口與CPU物理距離較遠。在較舊的CPU上，這并不是什么大問題，但是因為它們變得更快，內(nèi)存訪問的延遲成為一個關(guān)鍵問題。提取指令后，解碼階段便開始。在經(jīng)典的RISC架構(gòu)中，一個字的存儲形式完整的說明。隨著CPU的發(fā)展，這種方法變得更加復(fù)雜。

解碼指令時，單詞被分解為兩個部分稱為位域。這些稱為操作碼和操作數(shù)。操作碼是代表特定字符的唯一的一系列CPU內(nèi)的功能。操作碼通常會指示CPU將數(shù)據(jù)移至寄存器，然后移至寄存器和存儲器之間的數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)學或邏輯功能在寄存器和分支上。當指令引起指令改變時發(fā)生分支程序計數(shù)器的地址。這將導(dǎo)致下一次獲取在內(nèi)存中的新位置處發(fā)生反對到下一個順序地址。當確保“跳轉(zhuǎn)”到新程序位置時，稱為無條件分支。在其他情況下，可以進行測試以確定是否應(yīng)該發(fā)生“跳躍”。這稱為條件分支。觸發(fā)這些條件的測試通常是數(shù)學上的，如果寄存器或內(nèi)存位置小于或大于一個數(shù)字，或者為零或非零。分支允許程序做出決定，并且可以對CPU的功能至關(guān)重要。操作碼有時需要數(shù)據(jù)來對其執(zhí)行操作。指令的這一部分稱為操作數(shù)。操作數(shù)是背負在指令上的位，用作數(shù)據(jù)。在某些指令中，操作數(shù)未指定其值自我，但包含要訪問的內(nèi)存中某個位置的地址。這在請求存儲字的操作碼中很常見加載到寄存器中。這被稱為尋址，并且可以得到更多。

在現(xiàn)代CPU中很復(fù)雜。由于以下原因，尋址可能會導(dǎo)致性能下降。需要“離開” CPU，但是隨著CPU設(shè)計的進步，這種情況得以緩解。一旦有了操作碼和操作數(shù)，操作碼就可以通過表格和電路的組合，然后由控制單元進行配置CPU的各個操作部分以執(zhí)行該操作。在某些現(xiàn)代CPU中，解碼階段不是硬連線的，可以編程。這允許更改指令的解碼方式以及CPU被配置為執(zhí)行。在執(zhí)行階段，將觸發(fā)現(xiàn)在配置的CPU這可能會在一個步驟或一系列步驟中發(fā)生取決于操作碼。

CPU執(zhí)行中最常用的部分之一是算術(shù)邏輯單元或ALU。該電路塊旨在接收兩個操作數(shù)，并且對它們執(zhí)行基本算術(shù)或按位邏輯運算。然后將結(jié)果與相應(yīng)的數(shù)學公式一起輸出標志，例如結(jié)轉(zhuǎn)，溢出或零結(jié)果。然后將ALU的輸出發(fā)送到寄存器或位置根據(jù)操作碼在內(nèi)存中。假設(shè)一條指令要求將10加到寄存器中將結(jié)果放入該寄存器。

CPU的控制單元將加載立即值指令進入ALU，將寄存器的值加載到ALU中并連接ALU輸出到寄存器。在執(zhí)行觸發(fā)器上，添加完成并輸出加載到寄存器中。實際上，軟件精簡到配置循環(huán)在CPU中相互交互的多組電路。在CPU中，這三個階段的操作連續(xù)不斷地循環(huán)，使其工作通過指令的方式將計算機程序加載到內(nèi)存中。將這臺打環(huán)機粘合在一起是一個時鐘。時鐘是重復(fù)脈沖，用于同步CPU內(nèi)部機械及其與外部組件的接口。CPU時鐘速率是通過每秒的脈沖數(shù)或赫茲來衡量的。英特爾4004以740 KHz或每秒740,000脈沖的速度運行?，F(xiàn)代CPU可以達到接近5GHz的時鐘速率，或者每秒50億個脈沖。

在較簡單的CPU上，單個時鐘會觸發(fā)時鐘的提前。獲取，解碼和執(zhí)行階段。隨著CPU變得越來越復(fù)雜，這些階段可能需要花費幾個時間時鐘周期完成。CPU的吞吐量，可以執(zhí)行的指令量一秒鐘確定它有多“快”。通過提高時鐘頻率，我們可以使處理器運行通過其階段更快。但是，隨著我們變得越來越快，我們遇到了一個新問題。時鐘周期之間的周期必須留出足夠的時間用于執(zhí)行的每種可能的指令組合。如果在指令周期之前發(fā)生新的時鐘脈沖完成，結(jié)果變得不可預(yù)測，并且程序失敗。此外，增加時鐘速率具有增加的副作用。功耗和CPU中的熱量積聚導(dǎo)致文化績效的下降。更快，更高效地運行CPU的戰(zhàn)斗主導(dǎo)了它的整個存在。