CPU执行程序的原理（简化过程）

前言

 

看了网上的一些描述CPU执行程序的过程，发现他们涉及到的内容太多了，恨不能把整个CPU的底层结构都拿出来说，这对计算机理论知识匮乏的新人甚至是一些老人都是非常不友好的。这个问题也是当初拦在我面前的一只大老虎，把这个原理写出来也有助于我自己的深入理解。

YouTube上的一个视频How does CPU execute program，是一个很好的CPU执行程序原理的总结，英文水平还行的人建议看原视频，就不用听我瞎BB了。虽然没有字幕，如果能看懂里面的PPT，就基本能理解了。

以下内容主要是将视频内容大致解释一下，是写给英文水平欠缺一点或者没办法看原视频的人看的。如有错误，欢迎指正。

相关术语

RAM：指内存，断电后内容无法保存，因此叫做易失性存储；另一个相关的概念是ROM，一般指外存，例如硬盘。RAM的速度远快于ROM，CPU与内存直接进行数据交换。

CPU：计算机的所有计算操作都由它执行，只要先记住它是一块有输入和输出的集成电路就行了。

Instruction：指令，是CPU进行操作的基本单元，大致包含操作对象、操作对象的地址、对操作对象进行何种操作。

RAM相关结构

程序要想被CPU执行，首先要被编译（具体编译改变，请查看我的另外一篇文章编译的基本概念）成CPU可以执行的指令操作，这里就不详细介绍，本文就假设程序已经被编译好了，放在了内存中。内存中存放的数据分为两类，一类是指令；另一类是数据，不管是指令还是数据都有其对应的地址。

下图就是接下来我们将会涉及的内存结构，这是从视频中直接截取下来的，大家将就着看。

在上图中，现在已经存放了地址为100、104、108、112的一系列指令；地址为2000、2004、2008的一系列数据。

CPU相关结构

这里只放出CPU的执行指令时涉及的基本结构，真实的情况还会复杂很多。

这里涉及到的结构有Program Counter（程序计数器）、Instruction Register（指令寄存器）、Data Register（数据寄存器）、ALU（算数逻辑单元），可以将计数器、寄存器都可以简单理解为存放数据的器件。上述程序计数器用来存放指令的地址；指令寄存器用来存放指令（初学者可能会搞混数据和地址的区别，稍加区分就可以分辨）；数据寄存器存放参与计算的数据，下图中的A、B、C都是数据寄存器；ALU就是用于计算的器件。

执行过程

本文内容为便于理解，仅涉及到CPU和内存间的数据交换。

在了解了RAM和CPU相关结构之后，接下来就可以正式开始说明执行的过程，其实就是对以上叙述内容的一个组合。

 

1. 程序计数器初始内容为100，指向内存中的某一项指令，注意100指的是地址；
2. 指令寄存器根据程序计算器的指向地址，将内存中地址为100的指令抓取到自身，此时存放LOAD A，2000；
3. CPU按照指令内容，将内存地址为2000的数据，上载到数据寄存器A中，此时CPU和RAM的状态如下图所示；
4. 以上3步已完成一个指令的基本操作步骤。接下来程序计数器依次指向104指令地址、108指令地址、112指令地址，分别完成将2004地址的数据赋值给B数据寄存器；ALU将A、B内的数据相乘赋值给C数据寄存器；将C数据寄存器数据写入内容地址2008中。
5. 这样就完成了50×0.1这个简单程序的计算，最后CPU和RAM所处状态如下图所示。