CPU是如何工作的？

CPU是如何工作的？

众所周知，CPU是计算机的“心脏”，是整个微机系统的核心。因此，它往往是各种等级微机的代名词，如286、386、486、奔腾、PII、K6到今天的PIII、P4、K7等等。回顾CPU的发展历史，CPU在制造技术上已经有了很大的提升。主要体现在越来越多的电子元器件的集成上。从最开始集成数千个晶体管到现在的数百万和数千万个晶体管。他们如何处理数据？

一、CPU的原始工作模型

在了解CPU的工作原理之前，我们先简单说一下CPU是如何产生的。CPU 采用纯硅材料制造。一个 CPU 芯片包含数百万个精密的晶体管。人们使用化学方法在硅晶片上蚀刻或光刻晶体管。因此，CPU 是由晶体管组成的。简单地说，晶体管是微型电子开关。它们是构建 CPU 的基石。您可以将晶体管视为电灯开关。它们有一个操作位，代表两种状态：开和关。这种通断相当于晶体管的接通和断开。这两个状态对应于基本状态“ 0 ”和“ 1 ”” 二进制。这样，计算机就有了处理信息的能力。但不要以为简单的“0”和“1”两态晶体管的原理很简单。其实他们的发展是得到了经过科学家们多年的苦心研究，在晶体管出现之前，计算机是靠速度慢、效率低的真空管和机械开关来处理信息的，后来科学家把两块晶体放入一个硅晶体中，从而创造了第一块集成电路。

看到这里，你一定想知道，晶体管是如何使用“ 0 ”和“ 1 ”这两个电子信号的十进制数字中的1在二进制模式下也是“1”，在二进制模式下2是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，它构成了计算机工作中使用的二进制语言和数据。可以组合成组的晶体管来存储数值，以及执行逻辑和数字操作。 

二、CPU的内部结构

现在我们已经大致知道 CPU 负责什么，但是哪些组件负责处理数据和执行程序呢？

1）  ALU  （算术逻辑单元）

ALU是算术单元的核心。它以全加器为基础，辅以移位寄存器和相应控制逻辑组成的电路。在控制信号的作用下，可以完成加减乘除四种运算和各种逻辑运算。刚才说了，这相当于工厂里的生产线，负责计算数据。

2）RS（寄存器组或寄存器）

RS本质上是数据在CPU中临时存储的地方。它存储等待处理的数据或已处理的数据。CPU访问寄存器的时间比访问内存的时间短。寄存器的使用可以减少CPU访问内存的次数，从而提高CPU的工作速度。但是由于芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为特殊寄存器和通用寄存器。通用寄存器用途广泛，可由程序员指定。通用寄存器的数量因微处理器而异。

3) 控制单元 

就像工厂的物流配送部门一样，控制单元是整个CPU的指挥控制中心。控制单元由指令寄存器IR、指令译码器ID、运算控制器OC三部分组成。协调整台计算机的有序工作极为重要。根据用户的预编程程序，控制单元从寄存器中取出每条指令。反过来， 寄存器把它 在指令寄存器IR中，通过指令译码（解析）确定应该执行什么操作，然后按照确定的时序操作控制器OC，向相应的部分发送微操作控制信号。运算控制器OC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、启停电路等控制逻辑。

4) 巴士

就像工厂中各个部分之间的通讯通道一样，总线实际上是一组电线，各种常用信号线的集合。总线用作“高速公路”，供计算机中的所有组件共同使用以传输信息。与CPU直接相连的总线可以称为本地总线，包括DB（数据总线）、AB（地址总线）、CB（控制总线）。其中，数据总线用于传输数据信息；地址总线用于传输CPU下发的地址信息；控制总线用于传输控制信号、定时信号和状态信息。

三 . CPU 工作流程

CPU由晶体管组成，是处理数据和执行程序的核心，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（包括内部总线和缓冲区）三部分。CPU的工作原理就像工厂对产品的加工：进入工厂的原材料（程序指令）由物料配送部（控制单元）调度，送到生产线（逻辑运算单元）生产成品。产品（处理数据），然后存储在仓库（存储单元），最后等待上市销售（供应用程序使用）。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU 开始了正式的工作。中间过程是通过逻辑运算单元进行算术处理，

四. 数据和说明

现在，让我们看看数据是如何在 CPU 中运行的。我们知道，数据从输入设备通过内存流出，等待 CPU 处理。待处理的信息以字节为单位存储，即以8位二进制数或8位为单位存储。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。这些指令告诉 CPU 对数据执行哪些操作，例如完成加法、减法或移位操作。我们假设内存中的数据是最简单的原始数据。一、指令指针将通知 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一个编号。可以根据这些地址取出数据，通过地址总线发送给控制单元。指令译码器从指令寄存器IR中取出指令并将其翻译成 CPU 的可执行形式。然后CPU 决定完成指令需要哪些必要的操作。它将告诉算术逻辑单元 ( ALU ) 何时计算，告诉指令阅读器何时获取值，告诉指令解码器何时翻译指令等 如果数据被发送到算术逻辑单元，数据将执行指令中指定的算术运算和其他各种操作。数据处理完成后返回寄存器，通过不同的指令继续运行数据，或者通过DB总线发送到数据缓冲区。

基本上，CPU 执行三个基本任务：读取数据、处理数据和将数据写入内存。但在正常情况下，一条指令可以包含许多按明确顺序执行的操作。CPU 的工作就是执行这些指令。完成一条指令后，CPU 的控制单元会告诉指令阅读器从内存中读取下一条指令并执行。这个过程连续快速地重复，一个接一个地执行指令，产生你在显示器上看到的结果。在处理这么多指令和数据的同时， 由于数据传输时间的差异和CPU处理时间的差异，肯定会出现处理混乱的情况. 为了保证每一个操作按时发生，CPU 需要一个时钟，它控制着 CPU 执行的每一个动作。时钟就像节拍器。它连续脉冲并确定 CPU 的速度和处理时间。这就是我们熟悉的CPU的标称速度，也就是我们常说的主频。主频值越高，CPU工作速度越快。