CPU的基本结构

概述

目前常见的CPU，无论是x86、ARM或MIPS架构，均是建立在冯诺伊曼体系下的。

简单理解，冯诺伊曼体系计算机有以下几个部件组成：

1. 运算器（ALU）
2. 控制器（Controller）
3. 存储器（Memory）
4. 和输入输出（I/O）

其中运算器负责运算；控制器协调指令和数据；存储器存储指令和数据；输入输出为外设，比如硬盘、键盘、网卡，毕竟CPU是需要为外界服务的。

演进至今，冯诺伊曼计算机已经具有强大的计算能力，许多CPU引入了流水线、分支预测、乱序执行等策略，提高了CPU的部件利用率和计算力。

从一个简单程序开始

如上图，我们定义了一个简单C程序，负责计算1+2的值，并保存到一个变量a里。为了简单，这个小程序没有I/O操作。

直接的C指令CPU是无法执行的，因为它不认识C字符。因此需要经过编译器编译为汇编指令，汇编再经过汇编器转为机器指令，如果引用了外部库，可能还需要链接这一步骤，但是此处不需要。

有了机器指令，就可以让CPU执行了。但是我们的机器指令存储在外设硬盘上，还需要经过DMA设备将指令载入内存，内存里的东西CPU就能通过寻址拿到了。

内存里存有数据和指令，这些东西都会通过系统总线拿到CPU里。

指令到达CPU后，首先会被译码，操作码将被转换为相关计算行为，而操作数将载入寄存器，最终由ALU计算处理。

ALU计算完毕后，一部分中间数据会写回寄存器，访问寄存器比访问存储器快很多，最终结果将写回存储器。在这个🌰里，汇编指令mov %ecx,-0x4(%rbp)对应的机器码就是告诉CPU将结果写回内存变量a。

CPU内部有个时钟，用于周期性发射脉冲信号，控制CPU对指令顺序执行。在最简单的情况下，一个脉冲执行一条指令。

更复杂的构造

以上示例只是最简单的情况，当有I/O时，会复杂许多。

目前，许多CPU加入了流水线、分支预测、乱序执行等功能，大大提升了CPU性能。比如，在本文的示例CPU中，同一时刻只有一个部件在工作，加入流水线可让很好地避免这一问题。

同时，提高指令缓存和数据缓存，增加多级缓存，改进缓存读写策略，都能提高CPU计算效率，这里将不深入展开。

总结

真实的CPU比这个复杂很多，但在量子计算机真正产生前，现存CPU都是基于冯诺依曼体系的，其基本原理一样。

高级的程序语言必须通过编译汇编，转化为CPU指令。通过CPU译码，控制器处理，运算器计算，最后回写。如此，经过若干个时钟周期后，一个程序才算执行完毕了。