计算机底层知识：CPU基本概念及运行原理

1.介绍：

CPU中央处理器（central processing unit）是计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，是由无数个晶体管组成的电子元器件。

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2.CPU核心模块

2.1.寄存器：

暂存指令，共45个，一个CPU内部有20-100寄存器左右。
通用寄存器有8个：
eax: 通常用来执行加法，函数调用的返回值一般也放在这里面
ebx: 数据存取
ecx: 通常用来作为计数器，比如for循环
edx: 读写I/O端口时，edx用来存放端口号
esp: 栈顶指针，指向栈的顶部
ebp: 栈底指针，指向栈的底部，通常用ebp+偏移量的形式来定位函数存放在栈中的局部变量
esi: 字符串操作时，用于存放数据源的地址
edi: 字符串操作时，用于存放目的地址的，和esi两个经常搭配一起使用，执行字符串的复制等操作

2.2.控制器：

负责把内存的指令，数据读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。

2.3.运算器：

负责运算从内存读入寄存器的数据。

2.4.时钟：

负责发出CPU开始计时的信号，控制cpu完成一个任务的时间，也就是我们看到的频率，通常为2.2GHz

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3.CPU计算执行步骤

3.1.逻辑可划分三个模块：控制单元、运算单元、存储单元

3.2.运行步骤：取指令 > 译码 > 执行 > 修改指令计数器 > 访主存 > 数据写回

3.3.核心步骤为前四步（一定存在）

指令放入寄存器：

执行：

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4.CPU 字长

4.1.CPU 字长概念

CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。

4.2. 计算机32位 CPU 和 64位 CPU的差异：

(1)处理能力不同

32 位 CPU 的一个指令，最大能处理 32 位二进制数据，即一次能处理 4 个字节数据。
64 位 CPU 的一个指令，最大能处理 64 位二进制数据，即一次能处理 8 个字节数据。

(2)寻址空间不同

32 位 CPU 的寻址范围是 32 位的二进制，32位二进制能表示的地址长度为2的32次方，即寻址空间最大为 4GB。
64 位CPU的寻址范围是 64 位的二进制，也就是2的64次方，能表示的地址长度更大，其寻址空间也会更大。

4.3字节和字长的区别：

由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。
计算机在同郸时间内处理的一组二进制数的位数就是“字长”，字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样

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5.地址总线、数据总线、控制总线

5.1.数据总线

(1) 是CPU与内存或其他器件之间的数据传送的通道。

(2)数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度。

(3)每条传输线一次只能传输1位二进制数据。8根数据线一次可传送一个8位二进制数据(即一个字节)。

(4)数据总线是数据线数量之和。

5.2.地址总线

(1)CPU是通过地址总线来指定存储单元的。

(2)地址总线决定了cpu所能访问的最大内存空间的大小。10根地址线能访问的最大的内存为1024位二进制数据(1B)

(3)地址总线是地址线数量之和。

5.3.控制总线

(1)CPU通过控制总线对外部器件进行控制。

(2)控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。

(3)控制总线是控制线数量之和。

5.4.补充说明

若内存容量为4GB，字长为32，则地址总线和数据总线的宽度都为32。

内存容量为4GB，即内存单元的地址宽度为32位。字长为32位即要求数据总线的宽度为32位，因此地址总线和数据总线的宽度都为32。