php网站开发基础教程,如何设计网站后台,网站二级分类,简单网站制作《嵌入式工程师自我修养/C语言》系列——CPU是如何工作的#xff1f;什么是冯诺依曼架构和哈弗架构#xff1f; 一、CPU内部结构及工作原理1.1 CPU的结构1.2 CPU工作流程举例 二、计算机体系结构2.1 冯诺依曼架构2.2 哈弗架构 三、总结 快速学习嵌入式开发其他基础知识#… 《嵌入式工程师自我修养/C语言》系列——CPU是如何工作的什么是冯·诺依曼架构和哈弗架构 一、CPU内部结构及工作原理1.1 CPU的结构1.2 CPU工作流程举例 二、计算机体系结构2.1 冯·诺依曼架构2.2 哈弗架构 三、总结 快速学习嵌入式开发其他基础知识 返回专栏总目录 《嵌入式工程师自我修养/C语言》 Tip鼠标悬停双虚线关键词/句可获得更详细的描述
一、CPU内部结构及工作原理
1.1 CPU的结构 CPU内部构造很简单宏观上划分为算术逻辑运算单元、控制单元和存储单元。程序代码存储在内部存储器内存中CPU可以从内存中一条一条地取指令、翻译指令并执行它。 RAM、ROM、DRAM、SRAM、Flash、EMMC傻傻分不清建议先阅读 一文帮你快速区分常用存储器 算术逻辑单元Arithmetic and Logic UnitALU由算术单元和逻辑单元组成他俩分别负责加、减、乘等数学运算以及与、或、非等逻辑运算是处理器最核心的部件。ALU只是纯粹的运算单元要想完成一个指令运行的整个流程还需要控制单元的协助。
控制单元通俗的讲该部分会根据程序计数器PC中的地址会不断地从内存RAM中取指令放到指令寄存器中并进行译码将指令中的操作码和操作数分别送到ALU执行相应的运算。实际上该单元还可以进一步划分比如划分为
指令控制完成取指令、分析指令、PC自增等操作然后交给执行单元来执行时序控制主要分为时钟发生器、倍频定义单元时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号也就是CPU的主频而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率总线频率的几倍总线控制控制地址总线、数据总线、控制总线等CPU的内外部总线中断控制控制各种各样的中断请求并根据优先级的高低对中断请求进行排队逐个交给CPU处理。
存储单元主要包括通用寄存器比如R0、R1. . .、状态寄存器CPSR以及内部cache缓存。
通用寄存器用于传送和暂存数据也可参与算术逻辑运算并保存运算结果状态寄存器主要有两大功能第一是存放当前指令执行结果的各种状态或条件码比如结果是否为负、是否为0、是否进位、是否溢出等其次就是存放控制信息比如中断标志位cache进行高速数据交换的存储器为了解决CPU的工作频率与内存访问速度间差异过大导致的性能问题而存在后文会解释。
1.2 CPU工作流程举例 假设通过高级语言编写的一行代码实现的功能是两个整数A、B相加该程序代码经过编译器编译后作为机器指令存储在内存RAM中如下图所示 控制单元通过指令译码电路会将该指令分解为操作码和操作数再根据操作数地址从内存RAM中加载数据A和B传送到ALU的输入端然后将操作运算类型操作码即加法也告诉ALU。ALU有了输入数据和操作类型就可以直接进行相应的运算了并输出运算结果。 为了效率考虑运算结果一般会先保存到寄存器中然后由控制单元将该数据从寄存器存储Store到内存RAM中。至此一个完整的加法指令执行流程就结束了控制单元会继续取下一条指令然后翻译指令、运行指令 周而复始。
Tips:
内存带宽的瓶颈会拖CPU的后腿影响CPU的性能。为了提高性能防止RAM拖后腿CPU一般都会在内部配置一些寄存器用来保存CPU在计算过程中的各种临时结果和状态值。ALU在运算过程中当运算结果为0、为负、数据溢出时会有一些Flags标志位输出这些标志位对控制单元特别有用如一些条件跳转指令其实就是根据运算结果的这些标志位进行跳转的。
二、计算机体系结构 上文提到CPU内部的结构其实很简单除了ALU、控制单元、寄存器和少量Cache根本没有多余的空间存放我们编写的代码。因此我们通常将编写的程序指令序列存储在额外的内部存储器——内存RAM中建议先阅读 一文帮你快速区分常用存储器。 但上文我们也提到内存带宽瓶颈会影响CPU的性能于是为了兼顾存储和效率计算机系统一般会采用内存外存的存储结构程序指令保存在诸如磁盘、NAND Flash、SD卡等外部存储器中当程序运行时相应的程序会首先加载到内存然后CPU从内存一条一条地取指令、翻译指令和运行指令。 计算机主要用来处理数据。我们编写的程序除了指令还有各种各样的数据。指令和数据都需要保存在存储器中根据保存方式的不同计算机可分为两种不同的架构冯·诺依曼架构和哈弗架构。
2.1 冯·诺依曼架构 采用冯·诺依曼架构的计算机其特点是程序中的指令和数据混合存储存储在同一块存储器的不同物理地址上。 一般我们会把指令和数据存放到外存储器中当程序运行时再把这些指令和数据从外存储器加载到内存储器内存储器支持随机访问并且访问速度快这里说的外存储器通常是flash、EMMC等内存储器指的是RAM通常为DRAM再次建议先阅读 一文帮你快速区分常用存储器如下图所示。 Tips: 由于该架构结构简单工程上容易实现所以很多现代处理器都采用这种架构如X86、ARM7、MIPS等。
2.2 哈弗架构 采用哈弗架构的计算机其特点是程序中的指令和数据被分开独立存储它们分别被存放到程序存储器和数据存储器如下图所示。 Tips:
每个存储器都独立编址独立访问而且指令和数据可以在一个时钟周期内并行访问使用该架构的处理器运行效率更高但缺点是CPU实现会更复杂。8051系列单片机采用的就是哈弗架构。
三、总结 综上所述CPU是计算机的核心组件它负责执行计算机程序中的指令。冯·诺依曼架构和哈弗架构是两种不同的计算机体系结构。 冯·诺依曼架构的特点是将程序指令和数据存储在同一块内存中通过一个共享的总线进行数据传输。这种结构的优点是简单易懂容易实现广泛应用于现代计算机系统中。而哈弗架构则是将指令和数据分开存储通过不同的总线进行数据传输这种结构可以提高计算机的并行处理能力。总的来说他们都各有优劣选择哪种架构取决于具体的应用场景和需求。 返回专栏总目录 《嵌入式工程师自我修养/C语言》
