CPU的主要功能_计算机组成原理cpu

宁可思一近，莫在思一停。

前言

本文目的在于为想要转硬件方向的程序员解释CPU的设计原理及组成，数据总线地址总线与CPU位数的关系。

一、CPU和总线示意图

站在程序员的角度学习CPU设计原理

上图总体其实为SoC片上系统，但是一直叫被叫成CPU叫习惯了，准确来说里面的才是CPU。

可以认为一个CPU里分成三部分：运算器、控制器、寄存器，真实CPU里不止这三个部分，还有时钟系统等。

二、CPU的组成

2.1 运算器

CPU对信息进行处理和运算的部件，常进行算术运算和逻辑运算，核心是算术逻辑单元ALU。
CPU中用各种数字电路搭配成各种运算电路，如加、减、乘、除、取余、左移、右移等。

【示例】：加法运算器

32 位处理器一次只能进行 32 位数据的处理

2.2 控制器

控制器：整个计算机的指挥中心。

CPU的取指、译码、运行都是由控制器控制的。

2.3 寄存器

寄存器是CPU里快速的临时内存，用来暂存从外部读取的数据。

CPU内部是没有内存的，内存在外面，比如Flash和DDR。

三、存储器

一个系统的运行必须有三部分：CPU、Flash和DDR。

3.1 Flash

Flash就相当于电脑的硬盘，用来存储程序，程序躺在Flash里是不动的。

Flash通过总线和CPU连接，需要时通过总线读取到CPU的寄存器中。

3.2 DDR

RAM（Random Access Memory）的全名为随机存取记忆体，它相当于PC机上的移动存储，用来存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写，RAM通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质（可称作系统内存）。

DDR本质上是RAM。
DDR是Double Data Rate SDRAM的缩写（双倍数据速率）

程序要在DDR中运行，Flash中的内容是不能直接到DDR中的，必须要通过寄存器来中转。

CPU先将Flash中的内容读到寄存器中，再放到DDR中，在DDR中运行。

四、内部外设

CPU通过内部总线连接到串口控制器上，串口控制器就是前面所说的内部外设。

串口控制器本来和Flash和DDR一样的，但随着半导体工业的发展，串口控制器跑到SoC里面去了。

内部总线和外部总线的区别：
内部总线在芯片的内部，其的速度更快，抗干扰能力更强。
外部总线受限于PCB板的布线，速度不会太快。

五、地址总线和数据总线

地址总线传输的是地址；数据总线传输的是数据。

地址总线和数据总线可以合二为一，但是速度会慢。

1. CPU通过地址总线寻址，然后通过数据总线与外部设备互换信息。

2. 地址总线的位数决定CPU寻址范围；数据总线的位数决定CPU单次通信能交换的信息数量。

   CPU的位数取决于数据总线，而不取决于地址总线。

3. 总线的速度决定CPU和外设互换信息的速度。

5.1 地址总线

5.2 数据总线

数据总线的位数实际上就是CPU的位数。

32 位的CPU有 32 根数据总线，CPU每次能够读/写 32 位的数据。
如果要写一个 16 位的short，会将 16 位的short放到 32 根数据总线中的一半，剩下的 16 根数据总线空跑。
即每次运送一个short或一个int，CPU的性能开销是一样的。
所以 C语言 编程中能使用int尽量使用int，使用short并不会减少CPU的性能开销。

5.3 注意

1. CPU的地址总线位数和数据总线位数是可以不同的（典型代表就是 51单片机），但一般都是相同的。

   51单片机是 8 位的，有 8 根数据总线，但它有 16 根地址总线。

2. CPU的位数指的是数据总线的位数，不是地址总线的位数。

3. 地址总线是 32 位的CPU寻址的范围是4G，所以最多支持4G内存。

4. 数据总线是 32 位，所以内存是 32 位的好，所以编程最好用int，匹配的时候效率是最高的。

总结

尽信书而不如无书。请同志们带着审视的态度来看此文章，人都是会犯错的；带着不信任感去审视它；如果它是对的，你就会越发觉得它对；如果它是错的，你就会在辩证中得到真理。

宁可一思进 莫在一思停：在搏斗中须树立克敌制胜的信念，突出战斗进取精神。在搏斗中，只能思进，不能思存，更不能思退！一旦思存思退，斗志先馁，便没胜利的希望了。比武的时候，一思一念间，宁进不停。停下来反应的一瞬间，说不定你已经输了。

学习亦是如此，把惰性和拖延当做自己的敌人，和它们拼个你死我活。

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