你了解嗎？CPU工作原理揭秘

CPU的原始工作模式

在了解CPU工作原理之前，我們先簡單談談CPU是如何生產出來的。CPU是在特別純淨的硅材料上制造的。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，它們是構建CPU的基石，你可以把一個晶體管當作一個電燈開關，它們有個操作位，分別代表兩種狀態:ON(開)和OFF(關)。這一開一關就相當於晶體管的連通與斷開，而這兩種狀態正好與二進制中的基礎狀態“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“1兩種狀態的晶體管的原理很簡單，其實它們的發展是經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來處理信息。後來，科研人員把兩個晶體管放置到一個硅晶體中，這樣便創作出第一個集成電路，再後來才有了微處理器。

看到這裡，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行指令和處理數據的呢？其實，所有電子設備都有自己的電路和開關，電子在電路中流動或斷開，完全由開關來控制，如果你將開關設置為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狀態用“1來表示，而OFF狀態則用“0來表示，就可以組成最簡單的二進制數。眾多晶體管產生的多個“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據。成組的晶體管聯合起來可以存儲數值，也可以進行邏輯運算和數字運算。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行它們的功能。

CPU的內部結構

現在我們已經大概知道CPU是負責些什麼事情，但是具體由哪些部件負責處理數據和執行程序呢？

1.算術邏輯單元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，這裡就相當於工廠中的生產線，負責運算數據。

2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)

RS實質上是CPU中暫時存放數據的地方，裡面保存著那些等待處理的數據，或已經處理過的數據，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內存的次數，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，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛並可由程序員規定其用途。通用寄存器的數目因微處理器而異。(圖)

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，對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據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)確定應該進行什麼操作，然後通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、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，用於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: 數據總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus) 、控制總線CB(Control Bus)。其中，數據總線用來傳輸數據信息；地址總線用於傳送CPU發出的地址信息；控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。

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