认识CPU的工作原理

学习CPU的工作原理

在了解CPU的工作原理之前，先简单谈谈CPU是如何生产出来的。 CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU的芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此从这个意义上来说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型的电子开关。它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当做一个点灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态：（开）和OFF（关）这一开一关就相当于晶体管的连通断开，而这两种状态正好与二进制中的状态：0 1 对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。

此处为：硅材料图、晶体管图。
这里写图片描述

但是你不要以为，只有简单的0 和 1 两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢，低效率的真空电子管和机械开关来处理信息，后来科研人员把这两个晶体管放置到了一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，后面才有了微处理器。

看到这里，你一定想知道晶体管是如何利用0 和 1 这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全是由开关来控制的。如果你将开关设置为OFF 那么电子将停止流动，如果你再将设置为ON 那么电子又会继续流动，晶体管的这种ON 与 OFF 的切换只有电子信号控制，我们可以将晶体管称为二进制设备，这样，晶体管的ON 状态用1 与 0 的特殊次序和模式来表示不同的情况，将其定义成为字母数字，颜色和图形。举个例子，十进位模式时也是1 2在二进制位是10 3是11 4 是 100 5是101 6是110 等等这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据，陈祖的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。

CPU的内部结构

现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由那些部件负责处理数据和执行程序呢？

1、算数逻辑单元ALU

ALU是运算器的核心，它是以全加器为基础，铺之以以为寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可以完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算，就像刚才提到的。这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。

2、寄存器组Rs

Rs实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短，采用寄存器可以减少CPU的访问内存次数，从而提高了CPU的工作速度，但是因为受到芯片面积和集成度所限制，寄存器组的容量不可能很大，寄存器组可分为专用寄存器和通过寄存器，专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据，而通过寄存器通途广泛并可以由程序员规定其用途，通用寄存器的数目因微处理器而异。

3、控制单元

正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器、指令译码器、和操作控制器三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要，它根据用户预先编好的程序，以此从存储器中取出各条指令，放在指令存储器中通过指令译码器分析确定应该进行什么操作，最后通过操作控制器按时序，向相应的部件发出微操作控制信号，操作控制器，主要包括节拍脉冲发生器控制矩阵时钟脉冲发生器，复位电路和启停电路等控制逻辑。

4、总线

就像工厂中各个部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息公共使用的公路，直接和CPU相连的总线，其中包括数据总线地址总线控制总线其中书库总线用来传输数据信息地址总线用于传送CPU发出的地址信息，控制总线用来传送控制信号，时序信号和状态信息等。

CPU的工作流程

由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是:Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。

数据与指令在CPU中的运行

刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。

我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。

基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。
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