CPU是如何進行運算的

時間：2016-10-22 15:44:09 黎正888由分享

　　每天工作和日常使用電腦，操作的那么頻繁，CPU到底是怎樣進行運算的呢?現(xiàn)在就讓學習啦小編給各位說一下CPU是如何運算的吧。

　　CPU是如何進行運算的

　　在了解CPU工作原理之前，我們先簡單談談CPU是如何生產(chǎn)出來的。CPU是在特別純凈的硅材料上制造的。一個CPU芯片包含上百萬個精巧的晶體管。人們在一塊指甲蓋大小的硅片上，用化學的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個意義上說，CPU正是由晶體管組合而成的。簡單而言，晶體管就是微型電子開關(guān)，它們是構(gòu)建CPU的基石，你可以把一個晶體管當作一個電燈開關(guān)，它們有個操作位，分別代表兩種狀態(tài):ON(開)和OFF(關(guān))。這一開一關(guān)就相當于晶體管的連通與斷開，而這兩種狀態(tài)正好與二進制中的基礎狀態(tài)“0”和“1”對應!這樣，計算機就具備了處理信息的能力。

　　但你不要以為，只有簡單的“0”和“1”兩種狀態(tài)的晶體管的原理很簡單，其實它們的發(fā)展是經(jīng)過科學家們多年的辛苦研究得來的。在晶體管之前，計算機依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機械開關(guān)來處理信息。后來，科研人員把兩個晶體管放置到一個硅晶體中，這樣便創(chuàng)作出第一個集成電路，再后來才有了微處理器。

　　看到這里，你一定想知道，晶體管是如何利用“0”和“1”這兩種電子信號來執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的呢?其實，所有電子設備都有自己的電路和開關(guān)，電子在電路中流動或斷開，完全由開關(guān)來控制，如果你將開關(guān)設置為OFF，電子將停止流動，如果你再將其設置為ON，電子又會繼續(xù)流動。晶體管的這種ON與OFF的切換只由電子信號控制，我們可以將晶體管稱之為二進制設備。這樣，晶體管的ON狀態(tài)用“1”來表示，而OFF狀態(tài)則用“0”來表示，就可以組成最簡單的二進制數(shù)。眾多晶體管產(chǎn)生的多個“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。舉個例子，十進位中的1在二進位模式時也是“1”，2在二進位模式時是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此類推，這就組成了計算機工作采用的二進制語言和數(shù)據(jù)。成組的晶體管聯(lián)合起來可以存儲數(shù)值，也可以進行邏輯運算和數(shù)字運算。加上石英時鐘的控制，晶體管組就像一部復雜的機器那樣同步地執(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是負責些什么事情，但是具體由哪些部件負責處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢?

　　1.算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)

　　ALU是運算器的核心。它是以全加器為基礎，輔之以移位寄存器及相應控制邏輯組合而成的電路，在控制信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。就像剛才提到的，這里就相當于工廠中的生產(chǎn)線，負責運算數(shù)據(jù)。

　　2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)

　　RS實質(zhì)上是CPU中暫時存放數(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)處理過的數(shù)據(jù)，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因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。

　　3.控制單元(Control Unit)

　　正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(分析)確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復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，總線實際上是一組導線，是各種公共信號線的集合，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 Bus)。其中，數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)信息;地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息;控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態(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，邏輯運算單元和存儲單元(包括內(nèi)部總線及緩沖器)三大部分。CPU的工作原理就像一個工廠對產(chǎn)品的加工過程:進入工廠的原料(程序指令)，經(jīng)過物資分配部門(控制單元)的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線(邏輯運算單元)，生產(chǎn)出成品(處理后的數(shù)據(jù))后，再存儲在倉庫(存儲單元)中，最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。在這個過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過程是通過邏輯運算單元來進行運算處理，交到存儲單元代表工作的結(jié)束。

　　數(shù)據(jù)與指令在CPU中的運行

　　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，我們來看看數(shù)據(jù)是怎樣在CPU中運行的。我們知道，數(shù)據(jù)從輸入設備流經(jīng)內(nèi)存，等待CPU的處理，這些將要處理的信息是按字節(jié)存儲的，也就是以8位二進制數(shù)或8比特為1個單元存儲，這些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴CPU對數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運算。

　　我們假設在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡單的原始數(shù)據(jù)。首先，指令指針(Instruction Pointer)會通知CPU，將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存中的存儲位置。因為內(nèi)存中的每個存儲單元都有編號(稱為地址)，可以根據(jù)這些地址把數(shù)據(jù)取出，通過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)什么時候計算，告訴指令讀取器什么時候獲取數(shù)值，告訴指令譯碼器什么時候翻譯指令等等。

　　假如數(shù)據(jù)被送往算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)將會執(zhí)行指令中規(guī)定的算術(shù)運算和其他各種運算。當數(shù)據(jù)處理完畢后，將回到寄存器中，通過不同的指令將數(shù)據(jù)繼續(xù)運行或者通過DB總線送到數(shù)據(jù)緩存器中。

　　基本上，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執(zhí)行。這個過程不斷快速地重復，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)的同時，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時差和CPU處理時差，肯定會出現(xiàn)混亂處理的情況。為了保證每個操作準時發(fā)生，CPU需要一個時鐘，時鐘控制著CPU所執(zhí)行的每一個動作。時鐘就像一個節(jié)拍器，它不停地發(fā)出脈沖，決定CPU的步調(diào)和處理時間，這就是我們所熟悉的CPU的標稱速度，也稱為主頻。主頻數(shù)值越高，表明CPU的工作速度越快。