17 建立数据通路（上）：指令+运算=CPU
前面几讲里，我从两个不同的部分为你讲解了CPU的功能。
在“指令”部分，我为你讲解了计算机的“指令”是怎么运行的，也就是我们撰写的代码，是怎么变成一条条的机器能够理解的指令的，以及是按照什么样的顺序运行的。
在“计算”部分，我为你讲解了计算机的“计算”部分是怎么执行的，数据的二进制表示是怎么样的，我们执行的加法和乘法又是通过什么样的电路来实现的。
然而，光知道这两部分还不能算是真正揭开了CPU的秘密，只有把“指令”和“计算”这两部分功能连通起来，我们才能构成一个真正完整的CPU。这一讲，我们就在前面知识的基础上，来看一个完整的CPU是怎么运转起来的。
指令周期（Instruction Cycle）
前面讲计算机机器码的时候，我向你介绍过PC寄存器、指令寄存器，还介绍过MIPS体系结构的计算机所用到的R、I、J类指令。如果我们仔细看一看，可以发现，计算机每执行一条指令的过程，可以分解成这样几个步骤。
1.Fetch（取得指令），也就是从PC寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中，然后把PC寄存器自增，好在未来执行下一条指令。
2.Decode（指令译码），也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中的哪一种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址。
3.Execute（执行指令），也就是实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转。
4.重复进行1～3的步骤。
这样的步骤，其实就是一个永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环，我们把这个循环称之为指令周期（Instruction Cycle）。
指令周期（Instruction Cycle）
在这个循环过程中，不同部分其实是由计算机中的不同组件完成的。不知道你还记不记得，我们在专栏一开始讲的计算机组成的五大组件？
在取指令的阶段，我们的指令是放在存储器里的，实际上，通过PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器（Control Unit）操作的。指令的解码过程，也是由控制器进行的。一旦到了执行指令阶段，无论是进行算术操作、逻辑操作的R型指令，还是进行数据传输、条件分支的I型指令，都是由算术逻辑单元（ALU）操作的，也就是由运算器处理的。不过，如果是一个简单的无条件地址跳转，那么我们可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器。
不同步骤在不同组件之内完成
除了Instruction Cycle这个指令周期，在CPU里面我们还会提到另外两个常见的Cycle。一个叫Machine Cycle，机器周期或者CPU周期。CPU内部的操作速度很快，但是访问内存的速度却要慢很多。每一条指令都需要从内存里面加载而来，所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间，称为CPU周期。
还有一个是我们之前提过的Clock Cycle，也就是时钟周期以及我们机器的主频。一个CPU周期，通常会由几个时钟周期累积起来。一个CPU周期的时间，就是这几个Clock Cycle的总和。
对于一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU周期。取出指令至少需要一个CPU周期，执行至少也需要一个CPU周期，复杂的指令则需要更多的CPU周期。
三个周期（Cycle）之间的关系
所以，我们说一个指令周期，包含多个CPU周期，而一个CPU周期包含多个时钟周期。
建立数据通路
在专栏一开始，不少同学留言问到，ALU就是运算器吗？在讨论计算机五大组件的运算器的时候，我们提到过好几个不同的相关名词，比如ALU、运算器、处理器单元、数据通路，它们之间到底是什么关系呢？
名字是什么其实并不重要，一般来说，我们可以认为，数据通路就是我们的处理器单元。它通常由两类原件组成。
第一类叫操作元件，也叫组合逻辑元件（Combinational Element），其实就是我们的ALU。在前面讲ALU的过程中可以看到，它们的功能就是在特定的输入下，根据下面的组合电路的逻辑，生成特定的输出。
第二类叫存储元件，也有叫状态元件（State Element）的。比如我们在计算过程中需要用到的寄存器，无论是通用寄存器还是状态寄存器，其实都是存储元件。
我们通过数据总线的方式，把它们连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，这就是所谓的建立数据通路了。
下面我们来说控制器。它的逻辑就没那么复杂了。我们可以把它看成只是机械地重复“Fetch - Decode - Execute“循环中的前两个步骤，然后把最后一个步骤，通过控制器产生的控制信号，交给ALU去处理。
听起来是不是很简单？实际上，控制器的电路特别复杂。下面我给你详细解析一下。
一方面，所有CPU支持的指令，都会在控制器里面，被解析成不同的输出信号。我们之前说过，现在的Intel CPU支持2000个以上的指令。这意味着，控制器输出的控制信号，至少有2000种不同的组合。
运算器里的ALU和各种组合逻辑电路，可以认为是一个固定功能的电路。控制器“翻译”出来的，就是不同的控制信号。这些控制信号，告诉ALU去做不同的计算。可以说正是控制器的存在，让我们可以“编程”来实现功能，能让我们的“存储程序型计算机”名副其实。
指令译码器将输入的机器码，解析成不同的操作码和操作数，然后传输给ALU进行计算
CPU所需要的硬件电路
那么，要想搭建出来整个CPU，我们需要在数字电路层面，实现这样一些功能。
首先，自然是我们之前已经讲解过的ALU了，它实际就是一个没有状态的，根据输入计算输出结果的第一个电路。
第二，我们需要有一个能够进行状态读写的电路元件，也就是我们的寄存器。我们需要有一个电路，能够存储到上一次的计算结果。这个计算结果并不一定要立刻拿到电路的下游去使用，但是可以在需要的时候拿出来用。常见的能够进行状态读写的电路，就有锁存器（Latch），以及我们后面要讲的D触发器（Data/Delay Flip-flop）的电路。
第三，我们需要有一个“自动”的电路，按照固定的周期，不停地实现PC寄存器自增，自动地去执行“Fetch - Decode - Execute“的步骤。我们的程序执行，并不是靠人去拨动开关来执行指令的。我们希望有一个“自动”的电路，不停地去一条条执行指令。
我们看似写了各种复杂的高级程序进行各种函数调用、条件跳转。其实只是修改PC寄存器里面的地址。PC寄存器里面的地址一修改，计算机就可以加载一条指令新指令，往下运行。实际上，PC寄存器还有一个名字，就叫作程序计数器。顾名思义，就是随着时间变化，不断去数数。数的数字变大了，就去执行一条新指令。所以，我们需要的就是一个自动数数的电路。
第四，我们需要有一个“译码”的电路。无论是对于指令进行decode，还是对于拿到的内存地址去获取对应的数据或者指令，我们都需要通过一个电路找到对应的数据。这个对应的自然就是“译码器”的电路了。
好了，现在我们把这四类电路，通过各种方式组合在一起，就能最终组成功能强大的CPU了。但是，要实现这四种电路中的中间两种，我们还需要时钟电路的配合。下一节，我们一起来看一看，这些基础的电路功能是怎么实现的，以及怎么把这些电路组合起来变成一个CPU。
总结延伸
好了，到这里，我们已经把CPU运转需要的数据通路和控制器介绍完了，也找出了需要完成这些功能，需要的4种基本电路。它们分别是，ALU这样的组合逻辑电路、用来存储数据的锁存器和D触发器电路、用来实现PC寄存器的计数器电路，以及用来解码和寻址的译码器电路。
虽然CPU已经是由几十亿个晶体管组成的及其复杂的电路，但是它仍然是由这样一个个基本功能的电路组成的。只要搞清楚这些电路的运作原理，你自然也就弄明白了CPU的工作原理。
推荐阅读
如果想要了解数据通路，可以参看《计算机组成与设计 硬件软件接口》的第5版的4.1到4.4节。专栏里的内容是从更高一层的抽象逻辑来解释这些问题，而教科书里包含了更多电路的技术细节。这两者结合起来学习，能够帮助你更深入地去理解数据通路。
课后思考
这一讲，我们说CPU好像一个永不停歇的机器，一直在不停地读取下一条指令去运行。那为什么CPU还会有满载运行和Idle闲置的状态呢？请你自己搜索研究一下这是为什么，并在留言区写下你的思考和答案。
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- kdb_reboot 👍（11） 💬（1）
很喜欢这几章；大二时学数电，期末考了93分，但是仍然不知道它能做什么用，内心有困惑，但是也没更多的坚持这个问题；感谢你
2019-06-06 - LDxy 👍（165） 💬（6）
CPU在空闲状态就会停止执行，具体来说就是切断时钟信号，CPU的主频就会瞬间降低为0，功耗也会瞬间降低为0。由于这个空闲状态是十分短暂的，所以你在任务管理器里面也只会看到CPU频率下降，不会看到降低为0。当CPU从空闲状态中恢复时，就会接通时钟信号，这样CPU频率就会上升。所以你会在任务管理器里面看到CPU的频率起伏变化。这个知识也是我找工作面试时才学到的。
2019-06-04 - Akizuki 👍（61） 💬（0）
操作系统内核有 idle 进程，优先级最低，仅当其他进程都阻塞时被调度器选中。idle 进程循环执行 HLT 指令，关闭 CPU 大部分功能以降低功耗，收到中断信号时 CPU 恢复正常状态。
2019-06-05 - 黄马 👍（45） 💬（0）
uptime 命令查看平均负载 满载运行就是平均负载为1.0(一个一核心CPU) 定义为特定时间间隔内运行队列中的平均线程数。load average 表示机器一段时间内的平均load。 这个值越低越好。负载过高会导致机器无法处理其他请求及操作，甚至导致死机 当CUP执行完当前系统分配的任务，为了省电，系统将执行空闲任务（idle task），这个任务循环执行HLT指令，CPU就会停止指令的执行，并且让CPU处于HALT状态,CPU虽然停止指令执行，并且CPU的部分功能模块将会被关闭（达到降低功耗的目的），但是CPU的LAPIC（Local Advanced Programmable Interrupt Controller）并不会停止工作，即CPU将会继续接收外部中断、异常等外部事件（事实上，CPU HALT状态的退出将由外部事件触发）.当CPU接收到这些外部事件的时候，将会从HALT状态恢复回来，执行中断服务函数，并且当中断服务函数执行完毕后，指令寄存器（CS:EIP）将会指向HLT指令的下一条指令，即CPU继续执行HLT指令之后的程序
2019-10-21 - 活的潇洒 👍（26） 💬（2）
要想成功三个动作很重要 1、做出来 2、写出来 3、讲出来 三个非常重要，缺一不可 day17 笔记：https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11330406.html
2019-08-21 - roger 👍（19） 💬（0）
程序计数器一直在变化，就是满载吧，持续不变就是idle。CPU密集型任务需要CPU大量计算的任务，这个时候CPU负载就很高，IO密集型任务，CPU一直在等待IO，就会有idle。
2019-08-12 - 旺旺 👍（15） 💬（1）
cpu执行速度非常快，消耗性能资源也比较快。但实际上，电脑并不是时刻都需要进行大量运算。 所以，CPU需要一种“闲置”状态，来平衡这种矛盾（需要忙时，可以全速奔跑；暂无事务时，又可节能地随时待命。） “Idle 闲置”是一种低功耗的状态，cpu在执行最低功耗的循环指令。实际上并非啥都没干，而是一直在干最最轻松的事儿。
2019-06-04 - A君 👍（9） 💬（0）
所谓构建数据通路，就是把各种组建通过线路组合起来，让他们可以完成数据存储、处理和传输的操作。数据处理部分自然是交给ALU组合逻辑计算元件，它是由大量运算器组合而成；数据存储自然是交给各种寄存器，存储的数据除了有计算数据外，还有各种状态，以及指令的地址；负责读取指令，将指令转换成电信号的就是译码器；为了让fetch-decode-execute这个循环体运作下去，还需要一个自动设备。
2020-06-25 - 九云 👍（7） 💬（3）
指令周期、时钟周期2个概念就够了。引入CPU周期这个概念，要解释什么问题呢？
2019-11-15 - djfhchdh 👍（6） 💬（0）
cpu满载和空闲的分别主要是操作系统调度任务导致的，如果操作系统调度了一个高优先级的任务，那么cpu就优先执行这个任务即满载，如果操作系统调度了一个低优先级的idle任务，那么cpu就执行这个idle任务，显示为空闲状态，空闲即假装“没事做”，其实当有其他更高优先级的任务调度时，就可以抢占它，去执行更高优先级的任务
2019-06-18 - 北风一叶 👍（3） 💬（2）
指令周期由：取得指令，指令译码，执行指令三个步骤的不断循环组成，其中取指令和指令译码由控制器负责，执行指令由运算器负责。一个指令周期由多个CPU周期构成，而一个CPU周期又由多个时钟周期构成，这一部分感觉说的有点混乱。
2020-03-03 - 爱与自由 👍（2） 💬（0）
看了一下评论，都没讲到重点，很多还偏题了，讲到操作系统，线程撒的，注意了：这节课的重点是cpu 是这样几个组件组成的。ALU运算器，寄存器，PC计数器，译码器这几个物理组件(生产线上的4 个工人)共同完成一个工厂流水线产品（一条指令的完整执行，也就是拿到计算后的结果，且是按时间有序地源源不断的生产产品，因为指令是一条一条执行的，比如产品 A（指令A:包含4个步骤），产品 B（包含4个步骤），且4个步骤花的时间不等，ALU 执行命令的时间远小于取指令时间），比如A指令取指令的时候，ALU 空闲，A指令执行的时候，译码器空闲。。。那么这几个组件工作就不饱满，老板不会满意的，狠不得每个工人每时每刻都不能休息，榨干你才是老板愿意看到的事情。要达到这点，就需要A，B指令从同步串行改为并行，也就是A指令在执行的时候，译码器空闲，那么译码器可以读取B指令进行译嘛，把B指令的前工序提前准备好，一旦A指令执行完成，释放占有的资源ALU，那么B指令可以马上执行，不必等到取指令，译码的过程(因为提前完成了)，几个工人工作饱和了，每时每刻都没闲着，节约了时间
2023-06-16 - thomas 👍（2） 💬（0）
每一条指令都需要从内存里面加载而来，所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间，称为 CPU 周期 ------------------------------------> 为什么要加上最短？
2021-07-19 - A君 👍（2） 💬（0）
因为cpu访问寄存器、cache、内存、硬盘的速度不同，为了不让宝贵的cpu资源浪费在数据传输过程中，因此引入中断，当cpu在访问硬盘等低速设备时可以将任务切换去，执行其他任务。如果不考虑进程调度策略、进程优先级等因素，如果几乎所有任务都是在做计算，那么cpu就会处在满载状态，如果当下没有任务在进行，操作系统就会切换ideal进程，该进程会主动挂起自己，所以说，虽然cpu当前在处理ideal任务，但并不会真正在读取处理传输数据。
2020-06-25 - Ronnyz 👍（2） 💬（0）
满载就是执行高优先级任务，不会被中断；空闲就是执行的任务优先级较低，可以被中断
2019-11-25