CPU是如何進(jìn)行運(yùn)算的
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(jìn)行運(yùn)算的呢?現(xiàn)在就讓學(xué)習(xí)啦小編給各位說(shuō)一下CPU是如何運(yùn)算的吧。
CPU是如何進(jìn)行運(yùn)算的
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(kāi)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(kāi)關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀態(tài):ON(開(kāi))和OFF(關(guān))。這一開(kāi)一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通與斷開(kāi)，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“0”和“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”和“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(kāi)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。
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(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(kāi)關(guān)，電子在電路中流動(dòng)或斷開(kāi)，完全由開(kāi)關(guān)來(lái)控制，如果你將開(kāi)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ON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。這樣，晶體管的ON狀態(tài)用“1”來(lái)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”，2在二進(jìn)位模式時(shí)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(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(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Registers)
RS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?yàn)槭艿叫酒娣e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。
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(gè)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(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。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OC，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OC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 Bus)。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。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)單元)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(kāi)始，CPU就開(kāi)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，也就是以8位二進(jìn)制數(shù)或8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(Instruction Pointer)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。
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(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。
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