CPU的结构功能、指令周期及超线程原理

计算机的组成成分

冯诺依曼型的计算机有五大组成部分，其各部分的功能分别如下：

1、运算器：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）；

2、控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器和控制器统称中央处理器，也叫做CPU。中央处理器是电脑的心脏；

3、存储器：存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。当电脑要执行外存里的程序，处理外存中的数据时，需要先把外存里的数据读入内存，然后中央处理器才能进行处理。外存储器包括硬盘、光盘和优盘；

4、输入设备：输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔等都属于输入设备。

5、输出设备：是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机等。

至于面积最大的主板，其上面主要是布置了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。

一台计算机的组成及数据通路，可由下图表示：

CPU的组成结构及功能

计算机中最核心的是CPU，CPU也是计算机的心脏，CPU的组成包括两部分：控制器、运算器。

控制器的功能有：取指令、分析指令、执行指令，发出各种操作命令、控制程序输入及结果的输出、总线管理、处理异常情况和特殊请求。

归纳一下，则是包含5部分的功能：指令控制、操作控制、时间控制、处理中断、数据加工。

运算器的功能则是实现算术运算和逻辑运算。

一个CPU的结构框图可以如下所示：

PC和IR寄存器完成：指令控制；

CU和时序电路完成：操作控制、时间控制；

中断系统完成：处理中断；

ALU和寄存器完成：数据加工。

CPU的内部结构如下图所示：

CPU中的寄存器及其功能如下所示：

通用寄存器：存放操作数，可作某种寻址方式所需的专用寄存器
数据寄存器：存放操作数（满足各种数据类型），两个寄存器拼接存放双倍字长数据
地址寄存器：存放地址，其位数应满足最大的地址范围，用于特殊的寻址方式，其往往使用来存放段基值、栈指针。
条件码寄存器：存放条件码，可作程序分支的依据，如正、负、零、溢出、进位等。
控制寄存器：比如PC、MAR、M、MDR、IR寄存器，用于控制CPU操作，其中MAR、MDR、IR寄存器是用户不可见的，PC寄存器是用户可见的。
状态寄存器：存放条件码。
PSW寄存器：存放程序状态字。

CPU指令周期

CPU中的基本操作是指令，指令周期指的是：取出并执行一条指令所需的全部时间。

指令周期又可以分为：取值周期（负责取指、分析）和执行周期（负责执行）。

每条指令所包含的指令周期可以不同，指令周期有：取指周期、间指周期、执行周期、中断周期。

其执行的流程可以如下所示：

超线程原理

超线程(hyper-threading)其实就是同时多线程(simultaneous multi-theading),是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。它的原理很简单，就是把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU，而逻辑CPU对操作系统来说，跟物理CPU并没有什么区别。因此，操作系统会把工作线程分派给这两颗（逻辑）CPU上去执行，让（多个或单个）应用程序的多个线程，能够同时在同一颗CPU上被执行。注意：两颗逻辑CPU共享单颗物理CPU的所有执行资源。因此，我们可以认为，超线程技术就是对CPU的虚拟化。

Intel的超线程技术，目的是为了更充分地利用一个单核CPU的资源。CPU在执行一条机器指令时，并不会完全地利用所有的CPU资源，而且实际上，是有大量资源被闲置着的。超线程技术允许两个线程同时不冲突地使用CPU中的资源。比如一条整数运算指令只会用到整数运算单元，此时浮点运算单元就空闲了，若使用了超线程技术，且另一个线程刚好此时要执行一个浮点运算指令，CPU就允许属于两个不同线程的整数运算指令和浮点运算指令同时执行，这是真的并行。

超线程技术实现的原理本质可以说是，在CPU的一个ALU里，对应多个PC | Registers寄存器，既可以减少了线程切换的开销，又允许两个线程同时不冲突地使用CPU中的资源。