淺談CPU（Central Processing Unit）

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的控制核心和運(yùn)算核心。它的主要功能是翻譯程序指令和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

中央處理器主要由運(yùn)算器（算數(shù)邏輯運(yùn)算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和緩沖存儲(chǔ)器（Cache）組成，也包括能實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制單元和總線。

中央處理器的主要作用是將程序中的指令翻譯成機(jī)器指令供機(jī)器識(shí)別，繼而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。所以，CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行程序指令。

下面來(lái)分析CPU是如何完成程序指令的執(zhí)行：

首先，CPU的工作主要由三個(gè)單元構(gòu)成，分別是：控制單元、運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元。

一。控制單元

CPU的控制單元主要由指令計(jì)數(shù)器（IC、Instruction Counter）、指令寄存器（IR、Instruction Register）、指令譯碼器（ID、Instruction Decoder）和操作控制器（OC、Opreater）組成。

1、指令計(jì)數(shù)器 IC

指令計(jì)數(shù)器又稱(chēng)程序計(jì)數(shù)器，是中央處理器內(nèi)的一個(gè)寄存器，其作用是存放當(dāng)前正在進(jìn)行的指令的地址。當(dāng)指令計(jì)算器中指令被取出后，計(jì)數(shù)器內(nèi)的地址加一或者指針下移一位，此時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)的地址即為下一條指令的地址。

2、指令寄存器 IR

指令寄存器的主要功能是存儲(chǔ)將要執(zhí)行的程序指令。由指令計(jì)數(shù)器中的指令地址找到內(nèi)存中相對(duì)應(yīng)的指令地址后，處理器將此條指令存儲(chǔ)進(jìn)指令寄存器中，以供后續(xù)使用。

3、指令譯碼器 ID

程序指令存儲(chǔ)進(jìn)處理器的指令寄存器后，由指令譯碼器將由高級(jí)語(yǔ)言表示的指令翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言。

4、操作控制器 OC

操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，發(fā)送給運(yùn)算單元，完成取指令和執(zhí)行操作的控制。

二。存儲(chǔ)單元

CPU的存儲(chǔ)單元主要由CPU的內(nèi)緩存寄存器和寄存器組構(gòu)成，主要用于暫時(shí)存放數(shù)據(jù)（包括待處理的和已處理的數(shù)據(jù)）。

由于CPU訪問(wèn)自身內(nèi)寄存器的訪問(wèn)速度比CPU訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)的訪問(wèn)速度快得多，所以，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取進(jìn)CPU的內(nèi)緩存器中，減少了CPU訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存的次數(shù)，提 高了訪問(wèn)效率和CPU的工作速度。

三。運(yùn)算單元

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算包括算術(shù)運(yùn)算（如加減乘除）和邏輯運(yùn)算。

處理器內(nèi)的運(yùn)算單元接收控制單元發(fā)出的信號(hào)和存儲(chǔ)單元內(nèi)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)操作的執(zhí)行。

故，運(yùn)算單元是中央控制器內(nèi)的執(zhí)行單元，它的所有動(dòng)作都按照控制單元發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行。

CPU的三個(gè)主要單元有序循環(huán)工作，便能實(shí)現(xiàn)CPU的命令執(zhí)行功能：

Step1：取指令。處理器根據(jù)指令計(jì)數(shù)器中存放的地址找到內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的指令，并將其存儲(chǔ)進(jìn)處理器內(nèi)的指令寄存器中，即完成了“取指令”操作。與此同時(shí)，指令計(jì)數(shù)器的地址變成下一條指令的地址。

Step2：翻譯指令。從內(nèi)存中取出的指令是由高級(jí)程序語(yǔ)言表示的，不能被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別。通過(guò)指令譯碼器的處理，寄存在指令寄存器中的指令變成能夠被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言以實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行。

Step3：執(zhí)行指令。操作控制器將譯碼后的指令發(fā)送給相應(yīng)的運(yùn)算單元，運(yùn)算單元結(jié)合存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行相應(yīng)的操作。

這三個(gè)步驟有序的循環(huán)進(jìn)行，直到程序指令結(jié)束，即能完成指令的執(zhí)行。