操作系统 -- cpu
目录
- cpu是什么?
- cpu的组成
- 控制器
- 指令寄存器(IR)
- 程序计数器(PC)
- 地址寄存器(AR)
- 运算器
- 算术逻辑单元(ALU)
- 数据缓冲寄存器(DR)
- cpu处理指令的流程
- 寄存器/缓存/内存的关系
- 寄存器
- 缓存
- 内存
- 工作状态
- 内核态
- 用户态
- 工作状态的切换
cpu是什么?
CPU 是计算机的大脑，它主要和内存进行交互，从内存中提取指令并执行它
程序实际上就是一条条指令，程序的运行过程就是指令一步步的执行起来，cpu本质上就是执行指令；
cpu的组成
- 控制器 – 把内存中的指令, 数据等读入到寄存器中
- 寄存器 – 用来暂存指令数据等处理对象
- 运算器 – 负责运算从内存读入到寄存器的数据
- 时钟 – 负责发出cpu开始即使的始终信号
控制器
用于控制整个cpu的工作, 主要包含 指令寄存器(IR), 程序计数器(PC), 地址寄存器(AR), 指令编译器(ID)
指令寄存器(IR)
当cpu执行一条指令时, 先把他从内存储器到缓冲寄存器中, 在送入IR暂存, 指令编译器根据IR的内容产生各种微操作指令, 控制其他的组成部件工作, 完成所需的功能
程序计数器(PC)
pc具有寄存信息和计算两种功能, 又称为指令计数器, 程序执行分为两种情况 , 一是顺序执行, 二是转移执行, 当程序开始执行前, 将程序的起始地址送入pc, 该地址在程序加载的内容是确定的, 因此pc的内容即是程序第一条指令的地址, 执行指令时cpu自动修改pc的内容, 以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址
地址寄存器(AR)
AR保存当前cpu所访问的内存单元的地址, 由于内存和cpu存在着操作速度上的差异, 所以需要使用AR保持地址信息, 直到内存的读写操作完成为止
运算器
算术逻辑单元(ALU)
ALU是运算器的重要组成部件, 负责处理出局, 实现对数据的算术运算和逻辑运算
数据缓冲寄存器(DR)
在对内部存储器进行读写操作时, 用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据, 将不同时间段内读写的数据隔离开来, DR作为cpu和内存, 外部设备之间的数据传送中转站
cpu处理指令的流程
- cpu先读取 “程序计数器” 的值, 即指令的内存地址, cpu的控制单元会操作地址总线指定需要访问的内存地址, 通知内存准备数据, 数据准备好后通过数据总线将指令数据传给cpu, cpu收到传来的数据, 将指令数据存入到指令寄存器
- cpu分析指令寄存器中的指令, 确定指令的类型和参数, 如果是计算类型的指令, 就把指令交给"逻辑运算单元"运算, 如果是存储类型的指令, 则由"控制单元"执行
- cpu执行完指令后, 程序计数器的值自增, 表示指向下一条指令
我们知道, cpu处理的指令是从缓存中获取的, cpu处理指令的速度非常快, 但是将指令从缓存中加载到寄存器中的速度相对来说是比较慢的, 那么怎么处理这个问题呢? 接下来就要引出缓存的概念了
寄存器/缓存/内存的关系
寄存器
寄存器是cpu的组成部分, 是一种直接整合到cpu中的, 有限的告诉访问速度的存储器, 他是有一些与非门组合成的, 分为通用寄存器和特殊寄存器, cpu访问寄存器的速度是最快的, 但是寄存器的容量非常小
缓存
缓存时cpu的一部分, 位于cpu中
在没有缓存之前, cpu一直都是在内存中读取数据的, 但由于两者速度差异, cpu每次都要等内存的’回信’, 缓存的设计是用来解决cpu与内存速度差异问题
假设一个8核的cpu, 每个核都有自己独立的L1 Cache和L2 Cache, 而L3 Cache是8核共享的
缓存大小 : 离核心越近, 等级越高越小, 速度越快, L1 Cache缓存最小, 速度最快
内存的数据会笑加载到共享的L3 Cache中, 在加载到每个核心独有的L2 Cache, 最后进入到最快的L1 Cache
内存
略
cpu从寄存器读取最快, 接下来是缓存 , 接下来是内存
工作状态
内核态
运行的程序的是操作系统，可以操作计算机硬件
在内核态运行的指令被称为特权指令, 能访问所有的内存空间和对象, 且所占用的处理机是不允许被抢占的
用户态
运行的程序是应用程序，不能操作计算机硬件
在用户态执行的指令叫非特权指令, 能访问的内存空间和对象收到限制, 处理机会被抢占
工作状态的切换
应用程序可以通过操作系统提供的一些api, 库函数来操作硬件, 实现由用户态转到内核态
比如发生缺页异常, 也会由用户态转化为内核态
为什么从用户态转化为内存态比较耗时呢 ?
因为涉及到了上下文切换
下一篇文章具体讲解cpu的上下文切换
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