CPU的基本工作原理

1、CPU的原始工作模式在了解CPU工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單談?wù)凜PU是如何生產(chǎn)出來(lái)的。CPU是在特別純 凈的硅材料上制造的。一個(gè)CPU芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們?cè)谝粔K指甲蓋大小的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個(gè)意義上 說(shuō),CPU正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)單而言，晶體管就是微型電子開關(guān)，它們是構(gòu) 建 CPU的基石，你可以把一個(gè)晶體管當(dāng)作一個(gè)電燈開關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀 態(tài)：ON （開和OFF （關(guān)。這一開一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通與斷開，而這兩種狀 態(tài)正好與 二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“0”“ 1對(duì)應(yīng)!這樣，計(jì)算機(jī)就具備了處理信息的能力。但你不要以為，只有簡(jiǎn)單的“0”

2、“ 1兩種狀態(tài)的晶體管的原理很簡(jiǎn)單，其實(shí)它們的發(fā)展是經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的辛苦研究得來(lái)的。在晶體管之前，計(jì)算機(jī)依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機(jī)械開關(guān)來(lái)處理信息。后來(lái) ，科研人員把兩個(gè)晶體管放置到一個(gè)硅晶體中，這樣便創(chuàng)作出第一個(gè)集成電路，再后來(lái)才有了微處理器?？吹竭@里,你一定想知道，晶體管是如何利用“0”“1這兩種電子信號(hào)來(lái)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的呢？其實(shí)，所有電子設(shè)備都有自己的電路和開關(guān)，電子在電路中流動(dòng)或 斷開，完全由開關(guān)來(lái)控制，如果你將開關(guān)設(shè)置為OFF,電子將停止流動(dòng)，如果你再將其設(shè) 置為ON,電子又會(huì)繼續(xù)流動(dòng)。晶體管的這種0N與OFF的切換只由電子信號(hào)控制我們可以 將晶體管稱之為二進(jìn)制設(shè)備。

3、這樣，晶體管的0N狀態(tài)用“俅表示，而OFF狀態(tài)則用“0來(lái)表示，就可以組成最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“1與“ 0的特殊次序和模式能代表不同的情況，將其定義為字母、數(shù)字、顏色和圖形。舉個(gè)例子，十進(jìn)位中的1在二進(jìn)位模式時(shí)也是“1”在二進(jìn)位模式時(shí)是“10”是“11” 是 “100” 是 “101” 是 “110”等等，依此類推，這就組成了計(jì)算機(jī)工作采用的二進(jìn)制語(yǔ)言和數(shù)據(jù)。成組的晶體管聯(lián)合起來(lái)可以存儲(chǔ)數(shù)值，也可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算。加上石英時(shí)鐘的控制晶體 管組就像一部復(fù)雜的機(jī)器那樣同步地執(zhí)行它們的功能。CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)在我們已經(jīng)大概知道CPU是負(fù)責(zé)些什么事情，但是具體由哪些部件負(fù)責(zé)處理

4、 數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢？1. 算術(shù)邏輯單兀 ALU (Arithmetic Logic UnitALU是運(yùn)算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏 輯組 合而成的電路，在控制信號(hào)的作用下可完成加、減、乘、除四則運(yùn)算和各種邏 輯運(yùn)算。 就像剛才提到的，這里就相當(dāng)于工廠中的生產(chǎn)線，負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)。2. 寄存器組 RS (Register Set 或 RegistersRS實(shí)質(zhì)上是CPU中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或 已經(jīng) 處理過(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減 少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了 CPU的工作速度。但因

5、為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為 專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用 寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用寄存器的數(shù)目因微處理 器而異您在瀏覽本頁(yè)面時(shí)使用的計(jì)算機(jī)便通過(guò)微處理器來(lái)完成其工作。微處理器是所 有標(biāo) 準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的心臟，無(wú)論該計(jì)算機(jī)是桌面計(jì)算機(jī)、服務(wù)器還是筆記本電腦。您正在使用的 微處理器可能是奔騰、K6、PowerPC. Sparc或者其他任何品牌和類型的微處理器，但是 它們的作用大體相同，工作方式也基本類似。3. 控制單兀(Control Unit正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制

6、中心，由指令寄存器IR(Instruction Register、指令譯碼器 ID (Instruction Decoder 和操作控制器OC(Operation Controller三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序丄作極為重要。它根據(jù) 用 戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中,通過(guò)指令譯 碼(分析確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器0C,按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號(hào)。操作控制器0C中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩 陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。4. 總線（Bus就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道，總線實(shí)際上是一組導(dǎo)線，是各種公

7、共信號(hào)線 的集合，用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的 公路”直接和CPU 相連的總線可稱為局部總線。其中包括：數(shù)據(jù)總線DB （Data Bus地址總線 AB （Address Bus、控制總線CB （Control Buso其中，數(shù)據(jù)總線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息；地 址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息；控制總線用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀 態(tài)信 息等。CPU的工作流程由晶體管組成的CPU是作為處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序的核心，其英文全稱是:Central Processing Unit即中央處理器。首先，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制 單 元，邏輯運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元（包括內(nèi)部總線及緩沖器三大部分。

8、CPU的工作原理 就像一 個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程：進(jìn)入工廠的原料（程序指令，經(jīng)過(guò)物資分配部門（控制單元 的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運(yùn)算單元，生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)后，再存儲(chǔ)在 倉(cāng)庫(kù)（存儲(chǔ)單兀中，最后等著拿到市場(chǎng)上去賣（交由應(yīng)用程序使用。在這個(gè)過(guò)程中，我 們注意到從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過(guò)程是通過(guò)邏輯運(yùn)算 單元來(lái) 進(jìn)行運(yùn)算處理，交到存儲(chǔ)單元代表工作的結(jié)束。數(shù)據(jù)與指令在CPU中的運(yùn)行剛才已經(jīng)為大家介紹了 CPU的部件及基本原理情況，現(xiàn)在，我們來(lái)看看數(shù)據(jù)是怎樣在CPU中運(yùn)行的。我們知道，數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備流經(jīng)內(nèi)存，等待CPU的處理，這些將 要處理的信息是按字節(jié)存儲(chǔ)的，也就是

9、以8位二進(jìn)制數(shù)或$比特為1個(gè)單元存儲(chǔ)，這 些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴CPU對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，比如完成加法、減法或 移位運(yùn)算。我們假設(shè)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡(jiǎn)單的原始數(shù)據(jù)。首先,指令指針（InstructionPointer會(huì)通知CPU,將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。因?yàn)閮?nèi)存中的每個(gè)存儲(chǔ) 單元都有編號(hào)（稱為地址，可以根據(jù)這些地址把數(shù)據(jù)取出，通過(guò)地址總線送到控制 單 元中，指令譯碼器從指令寄存器IR中拿來(lái)指令,翻譯成CPU可以執(zhí)行的形式，然后 決定 完成該指令需要哪些必要的操作，它將告訴算術(shù)邏輯單元（ALU什么時(shí)候計(jì)算，告訴指 令讀取器什么

10、時(shí)候獲取數(shù)值，告訴指令譯碼器什么時(shí)候翻譯指令等等。假如數(shù)據(jù)被送往算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)將會(huì)執(zhí)行指令中規(guī)定的算術(shù)運(yùn)算和其他各種 運(yùn)算。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，將回到寄存器中，通過(guò)不同的指令將數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行或者 通 過(guò)DB總線送到數(shù)據(jù)緩存器中?；旧?CPU就是這樣去執(zhí)行讀出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和往內(nèi)存寫數(shù)據(jù)3項(xiàng)基本工 作。但在通常情況下，一條指令可以包含按明確順序執(zhí)行的許多操作，CPU的工作就是 執(zhí)行這些指令，完成一條指令后，CPU的控制單元又將告訴指令讀取器從內(nèi)存中讀 取下 一條指令來(lái)執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程不斷快速地重復(fù)，快速地執(zhí)行一條又一條指令，產(chǎn)生 你在顯示器上所看到的結(jié)果。我們很容易想到，在處理這么多指令和數(shù)據(jù)的

11、同時(shí)，由 于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)差和CPU處理時(shí)差，肯定會(huì)出現(xiàn)混亂處理的情況。為了保證每個(gè)操作 準(zhǔn)時(shí) 發(fā)生，CPU需要一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘控制著CPU所執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)作。時(shí)鐘就像一個(gè)節(jié)拍 器，它不停地發(fā)出脈沖，決定CPU的步調(diào)和處理時(shí)間，這就是我們所熟悉的CPU的標(biāo)稱速度，也稱為主頻。主頻數(shù)值越高，表明CPU的工作速度越快。如何提高CPU工作效率既然CPU的主要工作是執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，那么工作效率將成為CPU的最主要 內(nèi)容，因此，各CPU廠商也盡力使CPU處理數(shù)據(jù)的速度更快。根據(jù)CPU的內(nèi)部運(yùn)算結(jié)構(gòu)，一些制造廠商在CPU內(nèi)增加了另一個(gè)算術(shù)邏輯單 元(ALU,或者是另外再設(shè)置一個(gè)處理非常大和非常小的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FloatingPoi nt Uni t,F PU,這樣就大大加快了數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度。而在執(zhí)行效率方面，一些廠商通過(guò)流水線方式或以幾乎并行工作的方式執(zhí)行指 令 的方法來(lái)提高指令的執(zhí)行速度。剛才我們提