程序是如何在 CPU 中运行的（一）

CPU 和 MCU 的区别

对于嵌入式开发来讲，我们在日常中接触到概念都是 MCU ，MCU 和 CPU 的区别也就在于 MCU 集成了片上外围器件，CPU 不带外围器件，一个简单的例子就是 MCU 在芯片内集成了 Flash 和 RAM 用来存储程序和数据，对应的在我们个人 PC 的体现就是硬盘和内存条，因此两者的区别只是在于外围器件的集成与否，最本质的工作原理两者是互通的。

CPU 的组成部分

CPU 是由许多晶体管组成的电子部件，从功能方面上来看，CPU 内部由寄存器，控制器，运算器和时钟四个部分组成，他们各自的功能如下：

• 寄存器：可以用来暂存指令、数据等处理对象。
• 控制器：负责把内存上的指令读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个系统。
• 运算器：运算器负责运算送入运算器的数据
• 时钟：负责发出 CPU 开始计时的时钟信号，CPU 在时钟信号的驱使下才能工作。

程序是如何被 CPU 执行的

我们在进行嵌入式软件开发的时候，常用的一种语言是 C 语言，C 语言又被称之为高级语言，我们编写的高级语言在真正的进入到 CPU 进行执行之前，还有很多个步骤需要完成，比较粗略的划分是需要经过：编译 -> 链接 -> 生成可执行文件三大步骤，比较细致地划分就是下图所示的过程：

根据上述流程图我们可以知道，程序在进入 CPU 执行前，会得到一个可执行程序，而这个可执行文件内包含的就是一系列指令和数据的集合，所以说我们编写的程序本质上也就是指令 + 数据的形式，既然有了能被 CPU 所识别的指令和数据，那么编写的程序也就可以在 CPU 里运行起来了。

CPU 的工作流程

在细致的阐述 CPU 是如何工作的，我们先来看一张 CPU 的工作流程图，图片如下所示：

在上述所示的图片里，我们可以看到这样几个信息，在虚线框外面的指令存储器和数据存储器，在虚线框内的指令寄存器，控制单元，寄存器组，逻辑运算单元以及状态寄存器，接下来就来阐述他们各自是怎么运行的以及他们之间又是如何相互协调共同完成一个程序。

逻辑运算单元和寄存器组

先从逻辑运算单元看起，名字叫运算单元，那顾名思义，它的功能就是运算，既然是运算那么就需要操作数和指令，具体如下图所示：

上图所示的 OP 代表的就是指令要执行的操作，从图中也可以看到逻辑运算单元的操作数是来自寄存器组，当然对于逻辑运算单元的操作数也不总是来自寄存器组，只有在进行简单的运算的时候，才会从寄存器组里取得操作数进行运算，运算之后，那就要有结果，所以逻辑运算单元会输出两个数据，一个是运算之后的结果，一个是标志位，这里的标志位代表的是两个操作数运算之后的运算结果是否得0，是否进位，是否是负数，是否溢出这几种标志。
另一方面，寄存器组除了给逻辑运算单元提供操作数之外，同时还充当存储运算结果的功能，示意图如下：

也就是说，寄存器组的功能除了可以给逻辑运算单元提供操作数之外，还会存储逻辑运算单元的运算结果。

逻辑运算单元和数据存储器

上述说到，在进行简单运算的时候，逻辑运算单元会从寄存器组中取得操作数，那在进行复杂运算的时候怎么办呢，这时候，数据存储器就要发挥它的作用了，示意图如下：

从上述图片可以看到逻辑运算单元的操作数一个是来自数据存储器，一个是来自寄存器组。在往数据存储器里取操作数的时候，需要注意的是，数据存储器并不是 CPU 的部分，那么访问存储器的速度相比于访问寄存器的速度是要慢许多的。
在阐述寄存器组的时候，我们说到寄存器组可以提供操作数，同时也能够存储逻辑运算单元的运算结果，那对于数据存储器来说，也是一样的，它也能够存储逻辑运算单元的运算结果。示意图如下：

那寄存器组和数据存储器都能够存储逻辑运算单元的运算结果，那两者的区别是什么呢？笔者听到的最为通俗的一个解释就是：把逻辑运算单元的运算结果存储在寄存器组中就好比我们在考试做数学填空题的时候，会得到一些中间结果，就是说这些结果并不是要填到试卷里的答案，但是是作为下一步运算的条件，那我们就先把这个结果记录到草稿纸上，这个草稿纸就相当于我们的寄存器组，当我们计算出最后的答案的时候，再将这个答案填到我们的试卷上，试卷就相当于我们这里的数据存储器。所以，用一句话来说，就是，寄存器组是用来存储中间结果的，而数据存储器是用来存储最终结果的。

控制单元

上述我们说逻辑运算单元的操作数来源可能是寄存器组可能是数据存储器，运算结果的存储位置可能是寄存器组也可能是数据存储器，那在实际程序运行的时候，到底该采用哪一种方式呢，这个时候，就需要使用到控制单元来进行协调，示意图如下：

从上述图片我们可以看到从控制单元往下的各个线条分别指向了各个开关，这里的空圈就代表的是一个开关节点 ，也就是说控制器将控制开关往哪里闭合，从而决定了是往寄存器还是往数据存储器里取得操作数。
在看图中控制单元上面的部分，我们可以看到数据控制单元的数据来源是指令寄存器，所以说控制单元接收的是指令，那么我们也就可以总结一下控制器具备的功能，如下：

• 指令解析：分析该指令需要执行什么操作
• 确定数据流向：确定该指令用到的操作数来源和产生结果的去向

获取指令

上述讲到控制单元的是从指令寄存器中获得指令的，那么指令寄存器的指令又从何而来呢，我们回到我们最开始给出的那张示意图：

从图中可以看到指令是从指令存储器中取得的，同时，我们思考程序要能够正确的运行，那么就需要使得指令有序的得到运行，而不是胡乱地送到指令寄存器中，那么 CPU 又怎么保证指令能够有序的得到运行呢，这里就需要使用到 CPU 的 PC 指针寄存器，PC 指针寄存器的功能是存放下一条待执行指令的地址，当地址被取出之后，PC 指针寄存器将更新，指向下一条即将执行的指令，因此 PC 指针寄存器的存在也就保证了指令的有序执行。

总结

上述我们把 CPU 工作涉及的部件单独拆开进行了阐述，现在我们将其整合，所以 CPU 的工作流程是根据 PC 指针寄存器存储的下一条即将执行的指令的地址，使得指令存储器中的指令能够有序的进入指令寄存器，然后，控制单元从指令寄存器中取得相应的指令，并对其进行指令解析，判断当前指令要执行的操作，以及根据指令解析的内容控制逻辑运算单元操作数的来源和逻辑运算单元运算结果的存储位置，从而完成指令要求 CPU 执行的运算。

参考资料：
[1] 学堂在线慕课课程《ARM微控制器与嵌入式系统》

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