处理器

中央处理单元(CPU),简称处理器,是解释(或执行)存储在主存中指令的引擎。处理器的核心是一个字长的存储设备(或寄存器),称为程序计数器(PC)。在任何时刻,PC 都指向主存中的某条机器语言指令(即含有该条指令的地址)。

从系统通电开始,直到系统断电,处理器一直在不断地执行程序计数器指向的指令,再更新程序计数器,使其指向下一条指令。处理器看上去是按照一个非常简单的指令执行模型来操作的,这个模型是由指令集结构决定的。在这个模型中,指令按照严格的顺序执行,而执行一条指令包含执行一系列的步骤。处理器从程序计数器(PC)指向的存储器处读取指令,解释指令中的位,执行该指令指示的简单操作,然后更新 PC,使其指向下一条指令,而这条指令并不一定与存储器中刚刚执行的指令相邻。

这样的简单操作并不多,而且操作是围绕着主存、寄存器文件(register file)和算术/ 逻辑单元(ALU)进行的。寄存器文件是一个小的存储设备,由一些 1 字长的寄存器组成,每个寄存器都有唯一的名字。ALU 计算新的数据和地址值。下面列举一些简单操作的例子,CPU 在指令的要求下可能会执行以下操作:

  • 加载:把一个字节或者一个字从主存复制到寄存器,以覆盖寄存器原来的内容。

  • 存储:把一个字节或者一个字从寄存器复制到主存的某个位置,以覆盖这个位置上原来的内容。

  • 操作:把两个寄存器的内容复制到 ALU,ALU 对这两个字做算术操作,并将结果存放到一个寄存器中,以覆盖该寄存器中原来的内容。

  • 跳转:从指令本身中抽取一个字,并将这个字复制到程序计数器(PC)中,以覆盖 PC 中原来的值。