CPU工作流程（寄存器、缓存cache、内存）

1、Linux系统硬件模块之CPU - 知乎

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5、操作系统中cpu如何工作_qq_42533216的博客-CSDN博客_cpu如何工作

1、计算机启动的大概流程：

1. 通电
2. 读取ROM里面的BIOS，用来检查硬件
3. 硬件检查通过
4. BIOS根据指定的顺序，检查引导设备的第一个扇区（即主引导记录），加载在内存地址 0x7C00
5. 主引导记录把操作权交给操作系统

2、CPU工作流程：

       A.取指单元（从内存中取得指令）；

　　B.解码单元（完成解码[讲内存中取到的数据转换成CPU真正能运行的指令]）；

　　C.执行单元（开始执行指令，根据指令的需求去调用不同的硬件去干活。）；

我们通过上面知道了MMU是CPU的一部分，但是CPU有还要其他的部件吗？当然是有的啦，比如指令寄存器芯片，指令计数器芯片，堆栈指针。

　　指令寄存器芯片：就是CPU用于将内存中的数据取出来存放的地方；

　　指令计数器芯片：就是CPU为了记录上一次在内存中取数据的位置，方便下一次取值；

　　堆栈指针：CPU每次取完指令后，就会把堆栈指针指向下一个指令在内存中的位置。

　　他们的工作周期和CPU是一样快的速度，跟CPU的工作频率是在同一个时钟周期下，因此他的性能是非常好的，在CPU内部总线上完成数据通信。指令寄存器芯片，指令计数器芯片，堆栈指针。这些设备通常都被叫做CPU的寄存器。

　　寄存器其实就是用于保存现场的。尤其是在时间多路复用尤为明显。比如说CPU要被多个程序共享使用的时候，CPU经常会终止或挂起一个进程，操作系统必须要把它当时的运行状态给保存起来（方便CPU一会回来处理它的时候可以继续接着上次的状态干活。）然后继续运行其他进程（这叫计算机的上下文切换）。

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3、CPU的内部结构

1、算数逻辑单元ALU

ALU是运算器的核心，它是以全加器为基础，铺之以以为寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可以完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算，就像刚才提到的。这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。

2、寄存器组Rs

Rs实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短，采用寄存器可以减少CPU的访问内存次数，从而提高了CPU的工作速度，但是因为受到芯片面积和集成度所限制，寄存器组的容量不可能很大，寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器，专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据，而通过寄存器通途广泛并可以由程序员规定其用途，通用寄存器的数目因微处理器而异。

3、控制单元

正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器、指令译码器、和操作控制器三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要，它根据用户预先编好的程序，以此从存储器中取出各条指令，放在指令存储器中通过指令译码器分析确定应该进行什么操作，最后通过操作控制器按时序，向相应的部件发出微操作控制信号，操作控制器，主要包括 节拍脉冲发生器 控制矩阵 时钟脉冲发生器，复位电路和启停电路等控制逻辑。

4、总线

就像工厂中各个部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息公共使用的公路，直接和CPU相连的总线，其中包括 数据总线 地址总线 控制总线 其中书库总线用来传输数据信息 地址总线用于传送CPU发出的地址信息，控制总线用来传送控制信号，时序信号和状态信息等。

结构

CPU 和内存是完成计算任务的核心组件，所以这里我们重点介绍一下 CPU 和内存是如何配合工作的。CPU 其实也不是单纯的一块，它包括三个部分，运算单元、数据单元和控制单元。

• 运算单元只管算，例如做加法、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。
• 运算单元计算的数据如果每次都要经过总线，到内存里面现拿，这样就太慢了，所以就有了数据单元（存储单元）。数据单元（存储单元）包括 CPU 内部的缓存和寄存器组，空间很小，但是速度飞快，可以暂时存放数据和运算结果。
• 有了放数据的地方，也有了算的地方，还需要有个指挥到底做什么运算的地方，这就是控制单元。控制单元是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某几个数据，计算出个结果，然后放在数据单元的某个地方。 

 CPU逻辑上分为3个模块，分别是"控制单元","运算单元","存储单元"，三个模块的功能通过名字也大概能猜出来。

控制单元

控制单元，由指令寄存器IR（InstrucTIon Register）、指令译码器ID（InstrucTIon Decoder）、操作控制器OC和程序计数器PC组成。

顾名思义，它是整个CPU的指挥控制中心，控制单元根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号

运算单元

顾名思义，它就是实现执行各种算术运算的功能，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。

存储单元

顾名思义，负责存储数据，包括缓存和寄存器组，是CPU中暂时存放数据的地方。但是有三个存储数据需要区分，按与CPU远近来分，离得最近的是寄存器，然后缓存 ，最后内存

寄存器：是有限存贮容量的高速存贮部件，可用来临时放指令、数据和位址的空间

缓存器：由于CPU直接从内存读取速度太慢了，所以在寄存器与内存之间设置缓存cache

然后寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器(IR、PC)的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，通用寄存器的数目因微处理器而异

CPU的缓存(一级缓存、二级缓存、三级缓存）属于集成在CPU内部的RAM。

内存则属于安装在主板上的RAM，不属于CPU。

CPU片内的ROM

嵌入式学习系统里的ROM和RAM（转载）_lyndtao_Chen的博客-CSDN博客_bss段是rom还是ram

大部分的资料都宣称程序分为RO、DATA、BSS等段，RO段应该放在ROM里，DATA段放在RAM里云云。对于DATA、BSS，这些段因为有频繁的写操作，所肯定要放到RAM里，但是只读数据（包括代码段）必须放在ROM里吗？答案是不一定。RAM和ROM等存储单元的物理地址映射是由做硬件的数字工程师确定，他们在划分时主要会考虑电路的延迟，将这些储存单元按照一定的方式挂在同一条AHB总线上。而嵌入式平台软件工程师可以通过修改链接脚本来设置哪些数据、代码在程序运行时放在ROM里，哪些放在RAM里。（这里多说一句，RAM在系统刚上电的时候，其内容是随机的。所谓的数据、代码放在RAM里，是指在初始化时，CPU从flash里读下载的bin文件，也有的平台下载的是hex文件，找出其中的ram段，以类似于memcpy的方式将数据从bin文件里的对应位置拷贝到RAM映射到的物理地址里，这才是所谓的放在RAM里）

 RAM分为很多种，关于SRAM、DDR、SDRAM、PSRAM等等的概念请自行百度，本文从软件的角度笼统一点，分为片内和片外ram。对于软件工程师的来说，它们的区别就是访问速度，

片内ram一般用TCM(Tightly Coupled Memory)的方式集成在CPU芯片内部，有单独的数据通道，它的访问速度可以和cache相媲美，而片外ram的访问要麻烦一些，CPU发出想访问的地址给AHB总线控制器，它会知道对应的地址是在片外RAM里，将访问请求递给RAM控制器，再由RAM控制器访问RAM后将数据返回。大体上片内的访问速度是片外RAM的1.5~2倍。片内ram集成在CPU芯片内部，它是在CPU设计时就加上的，它使用和CPU几乎一样的制作工艺和材料，而且增加了芯片的大小，所以成本比较高，一般也就只有几十K字节，好钢当然要用在刀刃上，片内ram用来存放中断处理handler、RTOS调度器、任务上下文切换、内存分配释放等使用频率最高的代码和
 中断堆栈这种读写频率极高的内存区，如果有多余的部分也可以放一些经常被引用到的全局变量。

片外RAM一般就是采购的市面上的成品，如Samsung，Hynix，Apmemory等，价格相对便宜，其容量的可选范围也较为宽松，从几M到几G的都有，它可以用来存储全局变量，bss，以及我们常用到的malloc所分配的堆空间等。 还有一点不同的是：片内Ram上电就可以直接使用，而片外的RAM都需要一个硬件控制器完成对其时序的控制，软件人员则需要对该控制器编写专用的控制驱动

 ROM一般是有两种:

一种是指集成在CPU片内ROM只读存储区域，一般是几K到几十K字节大小，用来存储系统刚上电时对cpu和一些核心外设（如时钟，串口，MMU、DRAM、Flash等）进行初始化的代码，它在程序运行中也是不可写的，要对它执行写操作只能使用硬件烧写器进行，也就是一般所说的下载程序，这部分的代码在芯片测试阶段可以进行编程器下载更新，量产后一般就会固化，不能做任何修改的；

 另一种指的就是flash。首先需要说明的是，很多做嵌入式应用开发的同学一直把flash比作PC上的硬盘，其实它们指的是Nand flash，而对于很多小型的嵌入式系统，就只有一个2M或者4M的Nor Flash，它和硬盘有一个显著的区别：flash里存放的代码是可以由CPU直接取指并执行的，而PC上硬盘里的程序都需要加载到内存里才能运行。flash并不是绝对的运行时不可写，有时候应用程序需要保存一些配置信息到flash里，类似于PC程序的配置文件，以保证掉电了之后它的内容不会丢失，下次开机时可以直接从flash读取到。不过，flash的写操作要比RAM麻烦的多了，flash在写之前需要发送多个命令字来握手，还要先对即将要写的地址所在的扇区进行整体擦除，就是把该扇区里的内容全设为1，所谓写flash就是把其中的一些bit设为0；更要命的是，flash的每个独立bit位的写次数是有上限的，市面上大部分的产品都只能写10~100万次。多说一句，每个bit位的寿命是独立的，如果一个bit位在擦除和写的动作中，它的值始终为1，则不会有影响；例如反复对一个地址写0xF0，则不会影响高4bit的寿命，而低4bit每次都要先擦成1，再写入0，这样就会降低其寿命。
 

 现在我们讨论一下RO、DATA、BSS到底应该放在RAM里还是ROM里？

 首先考虑一下，有没有什么东西必须放在ROM里？ 当然有，引导程序（系统的初始化代码）就必须放到ROM里。在CPU刚上电时，只能去一个默认的地址去取第一条指令，开始干活，这个地址都是映射到片内的ROM里，原因很简单，此时，作为外设的flash和DDR等都还没有初始化，CPU根本无法从它们那里读写数据，片内ROM里的这些代码就需要完成这些模块的初始化。另外，一个项目的处理器和主要外设确定了以后，这部分初始化代码在很长的时间里，都不需要做任何修改的。
 

 那有没有什么东西必须放RAM里？当然也有，应用程序经常读写的全局变量，堆、栈等等，都需要放在RAM里，根据访问的频率，将频率最高的少量数据放到片内ram。
 

 只读数据（代码段、程序里的const、字符串等）应该放在哪？一般来说，这些数据应该放在Flash里，因为它们不需要被修改，而且前面提到过，rom要比ram便宜的多。可能有人会有疑问，放在flash里，会不会读取的速度很慢？读ROM的速度是比读RAM的数据要慢一点，但是不要忘了，现代CPU都有强大的cache，而且数据Dcache和指令Icache都是分开的，在系统运行中，cache的命中率可以高达80~90%，所以大部分时候CPU都可以在第一时间就拿到想要的指令和数据。

 最后分享两个楼主遇到的案例：

 1 前面提到片内Ram是一块非常宝贵的空间，它的优点就是CPU可以在第一时间取到里面的数据。但是处于成本考虑，它的空间往往都非常有限。如果用户有两种比较耗时的业务，需要频繁的大量取指，但重点是它们
 不会同时运行。这种情况下，就可以在链接脚本里开辟的片内Ram空间，将该段的链接选项加上NOCROSSREFS，再将这片空间的大小定义为这两个耗时业务代码占空间较大的那个（例，业务一有1K代码，业务二有2K代码，这片空间就定义为2K），在业务一开始时，将其代码拷贝到这块片内ram里（一般是用DMA的方式），运行业务一的代码；当业务二开始时，也是拷贝其代码到片内ram里。这样，两种业务的耗时操作在运行中都可以在第一时间里取到指令，对耗时业务做了很好的优化。

  2 楼主曾经遇到过这样一个运行时死机，查看CPU寄存器可以看到是报一个取指了令异常，可是查看PC寄存器对应的地址，发现CPU正在取的一条指令是正常的，起初十分费解。后来通过仔细分析其死机前的运行情况才定位出原因，死机前一个task正在写flash，这时候来了一个中断，中断里调用了一个函数，其地址就在flash里，而此时flash处于一个不可读的状态，CPU在执行中断里的函数就拿不到指令，只能死机。

 解决问题的办法有2种：一是在写flash的过程中屏蔽所有中断，这是一种很裸的方法，对于响应时间很敏感的嵌入式系统，一般都不允许随便关中断。二是将这个在flash里存储的函数放到RAM里，避免访问flash的冲突。
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MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。

对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。

带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型CPU是中央处理单元(CentralProcessingUnit)的缩写，它可以被简称做微处理器（Microprocessor)，不过经常被人们直接称为处理器(processor)。

MCU和CPU关系区别？

区别：CPU是数据处理的单元，MCU中一般包含CPU，但除了数据处理单元外还有其他的外围的模块，如、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口等，也就是说，MCU是集成了CPU和其他外围模块的微型控制单元

数据从内存里拿出来先放到寄存器，然后CPU再从寄存器里读取数据来进行处理，处理完后同样把数据通过寄存器存放到内存里，CPU不直接和内存打交道。

为啥要这么麻烦呢，速度！就是因为速度。寄存器其实就是一块一块小的存储空间，只不过其存储速度要比内存快得多。近水楼台先得月嘛，它离CPU很近，CPU一伸手就拿到数据了，比在那么大的内存里去寻找某个地址上的数据是不是快多了？那有人问既然它速度那么快，那我们的内存硬盘都改成寄存器得了，我要说的是：你真有钱。 

片内有ROM与RAM；

片外也有扩展的ROM与RAM。

芯片内部有片内，也有片外；

芯片外部，即独立的外接芯片，一般只有片外。

片内，片外，操作指令有差异。

特殊功能寄存器SFR一定要在片内，不能扩展，不在片外。

寄存器是ram还是rom 寄存器和存储器的区别是什么？-酷米网

寄存器与存储器的区别是什么？

从根本上讲，寄存器和ram的物理结构是不同的。通用寄存器是由基本RS触发器结构派生的D触发器，它是由一些与非门组成的结构。我们已经在数字电子领域看到了这一点。Ram有自己的过程，通常1bit由六个MOS晶体管组成。因此，二者的不同物理结构导致了不同的性能。寄存器存取速度快，但占用面积大。相反，ram面积小，功耗低。它可以制成大容量存储器，但存取速度相对较慢。1CPU中存在寄存器，速度很快，数量有限；内存是内存，速度有点慢，但数量很大；计算机做操作时，必须把数据读入寄存器进行计算。2存储器包括寄存器。内存有ROM和ram。寄存器仅用于临时存储，并且是临时分配的。关机后，内容就不见了`````

寄存器和CPU在一起，只能存储少量的信息，但存取速度很快；内存指的是硬盘、U盘、软盘、CD-ROM等存储工具，速度最慢；内存指的是内存模块，因为硬盘读取速度只有一半速度很慢，所以先把硬盘读入内存模块，然后再交给CPU进行处理，这很重要的主要区别是硬件电路的实现。寄存器为静态存储器SRAM，存储单元由6个晶体管组成，读写速度最快。CPU中的cache和寄存器采用SRAM电路，读写速度快，但成本昂贵，一般容量不大。与SRAM相比，SDRAM是一种由晶体管和电容组成的存储单元，由于它使用了电容充放电的高低电平来表示0和1，因此需要不断刷新，因此成本低廉。后来，随着SDRAM技术的不断发展，工作电平从2.5V降低到目前的1.2V，并且是双通道的。有数字电路基础的人都知道每个时钟周期都可以读取数据，而双数据速率SDRAM可以在每个时钟周期的上升沿和下降沿读取数据，因此理论上速度提高了两倍。这是我们经常看到的DDR内存模块，包括随后的DDR2、DDR3和DDR4。实际上，它们都属于SDRAM。通常，存储器中使用SRAM或SDRAM。存储器一般称为外部存储器、磁盘、NAND闪存等，属于ROM范畴。与上述ram不同的是，ram断电后数据会消失。ROM存储器的特点是断电后数据不会消失，因此主要用于存储已安装的软件、数据文件、电影、图片等；SRAM存储器主要用于存储正在运行的程序。

寄存器、RAM、ROM、Flash相关概念区别整理

 

 

执行指令过程

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作原理就像一个工厂对产品的加工过程，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

指令---->内存---->控制单元(IR)---->控制单元(ID)---->运算单元---->存储单元---->内存

1. 取指令(Instruction Fetch )：从内存读取指令字节，放到指令寄存器；
   程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1PC；若为双字长指令，则(PC)+2PC，依此类推。
2. 指令译码(Instruction Decode)：从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式(拆分和解释)
3. 执行指令(Execute)：完成指令所规定的各种操作，例如告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等
4. 访存(Memory)：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算
5. 结果写回(Writeback)：把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式

 总线

各组成部分传输信息共同使用的“公路”，即总线。
直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括:

数据总线DB(Data Bus)，数据总线用来传输数据信息；

地址总线AB(Address Bus) ，地址总线用于传送CPU发出的地址信息

控制总线CB(Control Bus)，控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等

地址总线的位数，决定了能访问的地址范围到底有多广。

例如只有两位，那 CPU 就只能认 00，01，10，11 四个位置，超过四个位置，就区分不出来了。位数越多，能够访问的位置就越多，能管理的内存的范围也就越广。

而数据总线的位数，决定了一次能拿多少个数据进来。

例如只有两位，那 CPU 一次只能从内存拿两位数。要想拿八位，就要拿四次。位数越多，一次拿的数据就越多，访问速度也就越快。

4、CPU的工作流流程

程序=指令+数据

工作原理：

总的来说，cpu从内存中一条一条的取出来指令和相应的是数据，按照指令操作码的规定，对数据与进行运算处理，直到程序执行完毕为止，具体的过程可以分为以下四步。

1取指令

cpu控制器从内存读取一条指令并放在寄存器

2指令编译

指令寄存器中的指令经过译码，觉得应进行那种操作，操作数在哪里

3执行指令

执行指令分为两步：取操作数和进行运算。

取操作数：CPU通过寻址操作从内存中读取操作数到寄存器中，暂时保存起来

进行运算：运算单元通过指令中的操作码，对寄存器中的数进行操作

4指令计数

修改指令计数器，决定下一条指令的地址。cpu重复以上三个步骤，处于内存代码段的指令被逐个的执行，直到程序结束为止。

在每个时钟滴答声中，CPU都会执行以下三种操作之一：

1. 从内存地址中获取一条指令。
2. 解码该指令。
3. 执行指令。

 我们运行一个简单的程序。它要做的就是数数。处理器分为三个步骤：提取，解码，执行。它只会循环重复这些。所以我们需要一些指令，实际上指令是放在内存中，因此，让我们将程序加载到RAM中。RAM还用于存储我们的答案和输出。这些都将以二进制形式存储，但现在不要让事情变得过于复杂，让它们易于阅读。
 

指令分为：两部分。第一部分是指令本身。第二部分通常是一个内存地址。

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