CPU

CPU是計算機的大腦，主要和記憶體進行互動，從記憶體中讀取指令然後並執行它。 一個CPU的執行週期是從記憶體中提取第一條指令，解碼(成010101)並決定它的型別和運算元，執行；然後再提取，解碼執行後續指令，重複該迴圈然後直到程式執行完畢。

CPU主要由兩部分組成：控制單元和算術邏輯單元(ALU)

• 控制單元：從記憶體中提取指令並且解碼執行
• 演算法邏輯單元：處理算術和邏輯運算

從功能上看，CPU的內部由暫存器、控制器、運算器和時鐘四部分組成，各部分之間通過電訊號聯通

• 暫存器：用於暫存指令、資料和地址，可以看成是記憶體的一種。一般一個CPU內部會有20-100個暫存器
• 控制器：負責把記憶體上的指令、資料讀入暫存器，並根據指令的結果控制暫存器
• 運算器：負責運算從記憶體中讀取暫存器的資料
• 時鐘： 負責發出CPU開始計時的時鐘訊號

其中，我們最應該關注的是暫存器

由於訪問記憶體獲取指令比執行指令花費的時間長，因此CPU內部都會包含一些暫存器來儲存關鍵變數和臨時結果。

每個CPU都有一組可以執行的特定指令集。

• 有的指令用於把關鍵字從記憶體載入到暫存器中
• 有的指令用於把關鍵字從暫存器載入到記憶體中
• 有的指令用於把暫存器和記憶體中的操作進行組合

除了用於儲存變數和臨時結果的通用暫存器外，還有些程式設計師可見（常用於Debug程式）的特殊暫存器：

• 程式計數器(program counter)：用於指示下一條需要從記憶體中讀取的指令的地址。提取指令之後，程式計數器將更新為下一條需要提取的地址。
• 堆疊指標(stack pointer)：指向記憶體中當前棧的頂端。堆疊指標會包含輸入過程中的有關引數、區域性變數以及沒有儲存在暫存器中的臨時變數
• PSW(Program Status Word)程式狀態暫存器：由作業系統維護（一般程式設計師應該忽略它），它會跟蹤當前系統的狀態。PSW在系統呼叫和IO中起著重要作用，

除了嵌入式系統的非常簡單的CPU之外，多數CPU都有兩種模式：核心態、使用者態

• 通常，PSW暫存器中的一個二進位制會控制當前狀態是核心態還是使用者態。
• 核心態時CPU能夠執行任何指令集中的指令並能夠使用硬體的功能。

在桌上型電腦和伺服器上，作業系統通常以核心模式執行。在大多數嵌入式系統中，一部分執行在核心態，一部分執行在使用者態。

• 使用者態下，CPU只能執行指令集中的一部分並且只能訪問硬體的一部分功能。

應用程式通常執行在使用者態下。

使用者態無法轉為核心態。應用系統想要操作硬體，必須通過系統呼叫，才能從使用者態轉為執行態。

作業系統必須瞭解所有的暫存器，在時間多路複用CPU中，常常發生程式的切換，作業系統需要暫停某個程式轉為執行另一個程式，每次作業系統暫停程式時，需要儲存當前程式的暫存器的所有暫存器的值，以便後續重新執行該程式。

一個CPU上在一個時刻只能有一個程式執行。當一個執行緒想要從記憶體中讀取指令（耗時比CPU執行指令慢得多）時，多執行緒CPU可以快速切換到另外一個執行緒。這個就叫做程式的併發。

現在的晶片基本上都是多核。那為什麼晶片要是多核的呢？

我們先來了解下什麼是多核。 比如說一個4核晶片上面承載了4個微型晶片，每個微型晶片上都有自己獨立的CPU。多個CPU可以讓多個程式併發的執行。

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