CPU：大脑之核心的计算中心
一、程序运行的背后过程
程序执行过程中，涉及到一系列指令的执行。当程序的部分内容被加载到内存后，CPU需要从内存中取出指令，解码以了解指令的类型和操作数，然后执行该指令。这个过程不断循环，构成了CPU的基本周期。每个CPU都有一套专门的指令集，这些指令集决定了CPU能执行哪些操作。由于访问内存获取指令或数据的时间远比执行指令的时间要长，因此在CPU内部设计了一些通用寄存器来保存关键变量、临时数据等信息，以便快速访问。
二、CPU内部的特殊构造
除了通用寄存器，CPU内部还有一些特殊的寄存器，如程序计数器（PC）、堆栈指针和程序状态字（PSW）等。PC保存了将要取出的下一条指令的内存地址，堆栈指针指向内存中的当前栈的顶端，包含了每个函数执行过程的栈帧，栈帧中保存了该函数相关的输入参数、局部变量以及一些临时变量。PSW内保存了一些控制位，如CPU的优先级和CPU的工作模式等。
三、更优化的CPU架构：流水线与超标量
为了改善性能，现代CPU采用了流水线模式和超标量架构。流水线模式将取指、解码和执行三个过程分开，形成独立的取值单元、解码单元和执行单元。而超标量架构则将这三个过程进一步并行化，有大量的执行单元，取指和解码的部分以并行的方式运行。
四、CPU的工作模式与权限
除了嵌入式系统外，多数CPU都有两种工作模式：内核态和用户态。这两种工作模式由PSW寄存器上的一个二进制位控制。内核态的CPU可以执行所有指令并使用所有硬件功能，而用户态的CPU只允许执行指令集中的部分指令。一些操作如IO相关和内存保护相关的操作在用户态下是被禁止的。用户态的CPU想要执行操作需要通过系统调用来请求内核帮助完成。
五、关于CPU的基本组成
CPU的主要功能是进行运算，例如加法、乘法、逻辑运算等。它需要使用一个叫做存储器的东西来保存输入和输出数据，这些存储器就是各种寄存器。常见的寄存器包括：内存地址寄存器（MAR）、内存数据寄存器（MDR）、累加器（AC）、程序计数器（PC）等。CPU中还有一个控制器（CU），负责将存储器中的数据送到算术逻辑单元（ALU）去做运算，并将运算结果存回存储器。控制信号是控制器中的重要组成部分，它们告诉存储器应该从哪里读取数据，做什么运算等。这就是冯诺依曼结构图，即现在计算机的结构图。每个指令对应一个基本操作，例如加法运算对应一个指令。控制器根据指令来执行相应的操作。例如将两个MDR寄存器中的值拷贝到ALU中进行加法运算，并将结果写回到一个MDR寄存器中，最后写入到内存中。这就是CPU完成的一个基本运算过程。
六、关于CPU的多核和多线程技术
CPU的物理个数由主板上的插槽数量决定，每个CPU可以拥有多核心，每核心可能会有多线程技术。多核CPU的每个核心在操作系统看来都是一个独立的CPU。对于超线程技术的CPU来说，每核可以拥有多个线程（通常为两个），每个线程在操作系统看来都是独立的CPU资源。虽然多线程技术没有提供真正意义上的并行处理（因为同一时刻仍然只能运行一个进程），但它可以显著提高流水线效率并加速进程的执行速度。多线程技术利用了超标量架构的优点通过并行取指、解码和执行指令来提高效率。此外要注意在多核CPU中合理利用多线程技术才能发挥其优势避免资源浪费在操作系统调度上需要合理调度不同核心上的线程以实现负载均衡提高系统性能关于高速缓存的介绍中提到了不同级别的缓存以及它们在提高性能方面的重要性如寄存器和不同层的高速缓存对提高数据处理速度至关重要缓存级别越高速度越慢但容量越大各核心通常会拥有自己的L1缓存以提高访问效率关于CPU的知识还有很大部分比如内存管理和缓存优化等都是非常重要的内容需要进一步学习和探索
