浅析对CPU的理解
浅析对CPU的理解
摘要：
本文首先概述了CPU在计算机系统中的重要作用，以及人们对CPU的一般认识，然后从组成原理的角度给出CPU的定义，接着重点从逻辑的角度去描述CPU,并以一个虚拟的示意性的程序CPU_CODE为载体，简述CPU的各种重要机制，目的是寻求一种更简单，更容易接受的方式去深刻的理解CPU,计算机系统，操作系统，软件设计思想等。
关键词：CPU 微程序寄存器 中断 指令系统 CPU_CODE
1. 概述
在PC机如此普及的今天，CPU这个名字对稍微有一点点电脑知识的人来说都不陌生，看得见也摸得着，但是对他的了解有多少呢，理解到什么程度呢，大部分人对CPU地认识基本上都停留在表面，只是知道它是计算机的大脑，控制着计算机的一切行动，不错，了解这些对计算机普通用户已经足够了，但是对于计算机的爱好者或软件开发人员，光了解这些显然是不够用的，因为有些问题没有对CPU内部机理的较深刻的理解，就解释得通，从而使你的知识体系出现断档，不能连贯和系统起来。
目前对CPU的介绍的资料主要都偏重于硬件方面，由于硬件的复杂性，对于软件人员来说经常会出现这样的情况：雄心勃勃的去找了本组成原理的书来研究CPU,结果几个电路图看下来就晕头转向了。
虽然CPU很复杂，但它肯定是可以被认知的，我们可以选取适合自己的角度去认识，理解，分析CPU。
2. 定义
CPU（Center Process Unit）中文名称是中央处理单元，是计算机的核心部件，CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的功能：
1) 指令控制
2) 操作控制
3) 时间控制
4) 数据加工
CPU逻辑结构图如下：
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算术逻辑单元 |
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状态条件寄存器 |
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程序计数器PC |
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地址寄存器AR |
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地址总线ABUS |
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数据总线DBUS |
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累加器AC |
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存储器 |
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I/O |
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CPU |
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ALU |
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指令寄存器IR |
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指令译码器 |
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操作控制器 时序产生器 |
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时钟 |
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状态反馈 |
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c |
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c |
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c |
|
c |
|
c |
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缓冲寄存器DR |
（图1）
CPU由两个主要部分-----控制器和运算器组成
控制器：由程序技术器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。
主要寄存器：
1) 指令寄存器（IR）
2) 程序计数器（PC）
3) 地址寄存器（AR）
4) 缓冲寄存器（DR）
5) 累加寄存器（AC）
6) 状态条件寄存器
3. 逻辑分析
3.1 CPU与操作控制器的逻辑关系
在上面的CPU逻辑图中的操作控制器是核心的核心，它是CPU所有命令的实际发起者。将操作控制器的内部逻辑展开，则CPU的整体逻辑如图2所示。
在图2中的控制存储器中，保存着CPU的指令系统的微代码实现和执行顺序控制的硬件机制。
本文不打算从硬件的角度来谈CPU的组成原理，而是从程序的角度，整体的来分析CPU的运行机理。由于CPU既有硬件实现的复杂的逻辑电路，也有程序存储的逻辑，所以我的描述CPU的运行机理的程序是虚拟的，是把软硬件逻辑高度抽象的一个表现形式，只能起到原理性的说明作用，不能实际执行，但思路与微程序控制框是一致的，是把CPU完全微程序化的结果。
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程序计数器PC |
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地址寄存器AR |
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缓冲寄存器DR |
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指令寄存器IR |
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微地址寄存器μAR |
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微指令寄存器μIR |
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主存储器 |
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控制存储器CM |
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微命令 |
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地址译码器 |
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地址译码 |
（图2）
3.2 CPU原理示意性程序
注：下文称CPU原理示意性程序为：CPU_CODE
代码及说明如下：
//全局变量的定义—对应着CPU固有的各种寄存器
//控制寄存器
int IP; //程序计数器
int AR; //地址寄存器
int DR; //数据缓冲寄存器
int PSW; //状态字寄存器
//段寄存器
int CS; //代码
int DS; //数据段
int ES; //附加段
int SS; //堆栈段
//指针及变址寄存器
int SP;
int BP;
int DI;
int SI;
//数据寄存器
int AX;
int BX;
int CX;
int DX;
int interrupt;//是否有中断的标志 0-无，1-有虽然CPU没有寄存器与之对应，但是它的功能在CPU中是通过硬件电路来实现的。
//主入口函数:CPU加电时，从这里开始运行
int main()
{
//全局变量的初始化，对应着硬件完成的关键寄存器的默认值
//IP=0:CS=FFF0H确定了CPU执行的第一条机器指令的物理地址，
//您是否记得，这就是BIOS ROM的入口地址，这样就可以解释
//计算机就开始执行BIOS程序的原因了。
IP=0;
CS=FFF0H;
//while循环是CPU运行状态的表现，同时也代表着操作控制器的运行逻辑。
//这个循环也是CPU运行的原动力。
while(1)
{
//取指令
getCommand();
//执行指令
execCommand();
//中断处理过程
intProcess();
}
}
//该函数主要是CPU的取指令操作的代码表示：
//CPU先将IP:CS传给AR,然后IP+1,通过AR获得指令，将指令送至指令寄存器，结束取指令的任务。
void getCommand()
{
//PC（IP）的值赋给地址寄存器
AR=IP;
//PC+1,指向下一条将要执行的指令的偏移地址
IP=IP+1;
//地址寄存器+CS段存器-->指令的物理地址
CS:IP->物理地址;
//传送指令到指令寄存器
}
//在取指令任务结束后，指令寄存器内存放着从内存中取来的等待执行的指令。
//该执行指令函数：首先将按照约定的规则通过之列的某些特殊字段，把指令转化为微程序的入口地址，然后跳转到这个微程序的函数体去执行，具体的微操作。
void execCommand()
{
//读取指令寄存器的内容，进行指令译码，根据不同的译码执行不同的微操作
switch(ConvertCode(IR))
{
case 0:
add();
break;
case 1:
sub();
break;
case 2:
mov();
break;
case 3:
in();
break;
case 4:
out();
break;
case 5:
push();
break;
case 6:
pop();
break;
default:
break;
}
}
//中断的处理过程
void intProcess()
{
if(interrupt==1)
{
//获得中断向量号
//保护中断现场，目的是可以从中断处理程序返回后继续执行
//根据中断向量号，算出中断处理程序的地址，赋值给程序计数器IP
}
}
int ConvertCode()
{
//根据特定的规则获得相应指令对应的微程序的入口地址
}
void add()
{
//加法的微程序指令
}
void sub()
{
//减法的微程序指令
}
void mov()
{
//mov微程序指令
}
void in()
{
//IN 的微程序指令
}
void out()
{
//OUT 的微程序指令
}
3.3 CPU_CODE程序代码分析
CPU_CODE逻辑比较简单，但却涉及到了以下几方面的原理：
1． CPU寄存器的作用：通过全局变量来诠释体现寄存器在CPU运行过程中的作用。
2． CPU取机器指令的过程：通过getCommand()函数体现。
3． CPU执行指令的过程:通过execCommand()函数体现。
4． 中断处理的过程：通过intProcess()函数体现。
5． 机器指令的译码：通过ConvertCode()函数来体现。
6． CPU指令系统：通过add(),mov()等等的函数来体现。
CPU_CODE可以理解为计算系统中任何程序的源头和实际执行者。
这需要从这几方面来说明：
首先，计算机系统中的任何程序（无论是何种语言）想要执行，最终都要被编译成机器指令并且要装入内存中。
接着，CPU_CODE从内存中取出机器指令，分析指令，执行指令，这样才真正完成一条机器指令的执行。
因为我们的程序最终是由一条条的机器指令构成的，而每一条机器指令的实际执行都是由CPU_CODE来实际执行的，进而可以说任何计算系统的程序的源头和实际执行者就是CPU_CODE.
CPU_CODE是计算机系统的动力源泉，我们经常会听说这样的字眼“CPU在不停的转”这个“转”不是就CPU_CODE这个永不推出的程序吗。
其实利用CPU_CODE的思路去理解CPU这个软硬参杂的复杂的东西，可以提炼出逻辑的主线，去除硬件对我们的干扰，加深我们对CPU,计算机系统，机器语言，操作系统等。
4. 总结
虽然CPU_CODE目前还是很简陋，但我相信沿着这个思路和框架对CPU_CODE进行不断的充实，我们就可以用这种方法在CPU这个什么的世界中探索到更多的秘密。
5. 参考资料
[1] 白中英，计算机组成原理，科学出版社，1999.
[2] 沈美名 温冬婵 ,IBM-PC汇编语言程序设计, 清华大学出版社,1998.