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2. CPU

CPU总是周而复始地做同一件事:从内存取指令,然后解释执行它,然后再取下一条指令,再解释执行。CPU最核心的功能单元包括:

  • 寄存器(Register),是CPU内部的高速存储器,像内存一样可以存取数据,但比访问内存快得多。随后的几章我们会详细介绍x86的寄存器eaxespeip等等,有些寄存器只能用于某种特定的用途,比如eip用作程序计数器,这称为特殊寄存器(Special-purpose Register),而另外一些寄存器可以用在各种运算和读写内存的指令中,比如eax寄存器,这称为通用寄存器(General-purpose Register)

  • 程序计数器(PC,Program Counter),是一种特殊寄存器,保存着CPU取下一条指令的地址,CPU按程序计数器保存的地址去内存中取指令然后解释执行,这时程序计数器保存的地址会自动加上该指令的长度,指向内存中的下一条指令。

  • 指令译码器(Instruction Decoder)。CPU取上来的指令由若干个字节组成,这些字节中有些位表示内存地址,有些位表示寄存器编号,有些位表示这种指令做什么操作,是加减乘除还是读写内存,指令译码器负责解释这条指令的含义,然后调动相应的执行单元去执行它。

  • 算术逻辑单元(ALU,Arithmetic and Logic Unit)。如果译码器将一条指令解释为运算指令,就调动算术逻辑单元去做运算,比如加减乘除、位运算、逻辑运算。指令中会指示运算结果保存到哪里,可能保存到寄存器中,也可能保存到内存中。

  • 地址和数据总线(Bus)。CPU和内存之间用地址总线、数据总线和控制线连接起来,每条线上有1和0两种状态。如果在执行指令过程中需要访问内存,比如从内存读一个数到寄存器,执行过程可以想像成这样:

    图 17.2. 访问内存读数据的过程

    访问内存读数据的过程

    1. CPU内部将寄存器对接到数据总线上,使寄存器的每一位对接到一条数据线,等待接收数据。

    2. CPU通过控制线发一个读请求,并且将内存地址通过地址线发给内存。

    3. 内存收到地址和读请求之后,将相应的内存单元对接到数据总线的另一端,这样,内存单元每一位的1或0状态通过一条数据线到达CPU寄存器中相应的位,就完成了数据传送。

    往内存里写数据的过程与此类似,只是数据线上的传输方向相反。

上图中画了32条地址线和32条数据线,CPU寄存器也是32位,可以说这种体系结构是32位的,比如x86就是这样的体系结构,目前主流的处理器是32位或64位的。地址线、数据线和CPU寄存器的位数通常是一致的,从上图可以看出数据线和CPU寄存器的位数应该一致,另外有些寄存器(比如程序计数器)需要保存一个内存地址,因而地址线和CPU寄存器的位数也应该一致。处理器的位数也称为字长,字(Word)这个概念用得比较混乱,在有些上下文中指16位,在有些上下文中指32位(这种情况下16位被称为半字Half Word),在有些上下文中指处理器的字长,如果处理器是32位那么一个字就是32位,如果处理器是64位那么一个字就是64位。32位计算机有32条地址线,地址空间(Address Space)从0x00000000到0xffffffff,共4GB,而64位计算机有更大的地址空间。

最后还要说明一点,本节所说的地址线、数据线是指CPU的内总线,是直接和CPU的执行单元相连的,内总线经过MMU和总线接口的转换之后引出到芯片引脚才是外总线,外地址线和外数据线的位数都有可能和内总线不同,例如32位处理器的外地址总线可寻址的空间可以大于4GB,到第 4 节 “MMU”再详细解释。

我们结合表 1.1 “一个语句的三种表示”看一下CPU取指执行的过程。

图 17.3. CPU的取指执行过程

CPU的取指执行过程

  1. eip寄存器指向地址0x80483a2,CPU从这里开始取一条5个字节的指令,然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483a7。

  2. CPU对这5个字节译码,得知这条指令要求从地址0x804a01c开始取4个字节保存到eax寄存器。

  3. 执行指令,读内存,取上来的数是3,保存到eax寄存器。注意,地址0x804a01c~0x804a01f里存储的四个字节不能按地址从低到高的顺序看成0x03000000,而要按地址从高到低的顺序看成0x00000003。也就是说,对于多字节的整数类型,低地址保存的是整数的低位,这称为小端(Little Endian)字节序(Byte Order)。x86平台是小端字节序的,而另外一些平台规定低地址保存整数的高位,称为大端(Big Endian)字节序。

  4. CPU从eip寄存器指向的地址取一条3个字节的指令,然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483aa。

  5. CPU对这3个字节译码,得知这条指令要求把eax寄存器的值加1,结果仍保存到eax寄存器。

  6. 执行指令,现在eax寄存器中的数是4。

  7. CPU从eip寄存器指向的地址取一条5个字节的指令,然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483af。

  8. CPU对这5个字节译码,得知这条指令要求把eax寄存器的值保存到从地址0x804a018开始的4个字节。

  9. 执行指令,把4这个值保存到从地址0x804a018开始的4个字节(按小端字节序保存)。


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