一顆CPU是如何執行的？

1樓：Trustintruth

這本書會給你很多答案

先從指令說起

首先我們的程式的執行過程其實是指令的執行過程。指令是一段定長的01序列。指令就是用cpu讀得懂的方式告訴cpu對應的操作。

mips指令分r型i型j型，這是由指令不同的結構進行分類的。cpu通過識別指令前6位（op）來判別指令是什麼型別的。不同類別的指令有的是進行暫存器之間操作的，還是進行暫存器裡面的值和指令提供的數進行運算，還是把乙個特定數存到暫存器中或從暫存器中取出來。

除此之外，指令還有條件分支指令，也就是滿足條件就跳轉到某一條指令。還有直接跳轉，不管如何都跳到某一指令。一般的操作指令都是按順序來執行的，當遇到上面兩種指令的時候指令執行的順序就會變化，完成選擇或者迴圈的操作。

像乙個簡單的程式，可能是先進行一些存數的操作，把要操作的數值存到暫存器堆中，在採取暫存器堆之間的資料操作，把計算結果再存回暫存器堆。以後使用條件分支語錄來判別得到的答案是否滿足要求，滿足就把它讀出來，不滿足就跳轉語句，跳回去再從新做。

上面提到的很多選擇模組，包括進行運算操作的ALU，都是根據邏輯功能進行設計，設計好之後的實現到互補cmos結構，比如乙個簡單的加法器，就可以使用nmos和pmos搭起來

而涉及到時序單元的部分設計就包括了暫存器，暫存器也是由管子組成的。

2樓：名字只是pointer

首先，我認為問題有誤，電路的通斷不是通過PN結實現的，而是MOSFET，PN結在mos裡只負責「斷」不負責「通」。當然更先進的還有FinFet和nano sheet，不過咱們還是說簡單的吧。從下到上說。

為什麼是0和1？最底層

MOS在數字ic中很簡單，收到高電壓（nmos）或者低電壓（pmos）我就導電，變成乙個「導線」，這就是我們所說的，開關。現在的數字積體電路中，用的都是cmos，也就是說，一套pmos負責拉高電壓，一套nmos負責拉低電壓。兩套系統必須互補，乙個發生，另乙個一定不會發生。

而cmos只會把電壓拉到最高和最低，所以在數字邏輯中只有0和1（理想情況，實際在電路中並非如此）。

邏輯門

用不同的CMOS設計，就可以出現不同的邏輯門。比如1和0等於0，1或0等於1。用不同的基本邏輯門，可以設計出更高階的基礎部件，特別是和時鐘有關的，比如暫存器（可以記住上次「敲鐘」的時候是0還是1）。

時鐘在電路裡並不是時間，只是乙個訊號說01010101……否則電路怎麼知道你是0還是00還是000呢？

計算機架構

這裡用最基本的risc-v架構。有了邏輯門之後，我們就可以做出CPU的基礎部件了。乙個基本的cpu有五個部件，指令記憶體，指令解碼器，Register File（中文不知道，即時儲運需要運算的資料），計算單位和資料記憶體。

那cpu幹啥呢，接受指令，搞清楚指令要幹嘛，從RF找到資料，用計算單位進行某種計算，讀東西或者寫東西到資料記憶體，存資料（從資料記憶體或者計算結果）到RF。

機械語言，組合語言和其他高階語言

那CPU怎麼執行軟體呢？很簡單，編譯器會把軟體翻譯成組合語言（為了好讀的機械語言，可以和機械語言一對一對應）。彙編器把組合語言翻譯成機械語言，機械語言存入指令記憶體，然後cpu幹上面說的那些事。

還有很多東西沒提到，但是總而言之，電腦執行，從軟到硬，頂層到底層，就是把很簡單的一件事，快速的大量的做。