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簡單介紹 CPU 的工作原理

admin
2024年4月29日 11:1 本文熱度 1370

內部架構

CPU 的根本任務就是執(zhí)行指令,對計算機來說最終都是一串由 0 和 1 組成的序列。CPU 從邏輯上可以劃分成 3 個模塊,分別是控制單元、運算單元和存儲單元 。其內部架構如下:

【1】控制單元

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OC(Operation Controller) 等組成,對協(xié)調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。

【2】運算單元

運算單元是運算器的核心。可以執(zhí)行算術運算(包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言,運算器接受控制單元的命令而進行動作,即運算單元所進行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的,所以它是執(zhí)行部件。

【3】存儲單元

存儲單元包括 CPU 片內緩存和寄存器組,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存的時間短。采用寄存器,可以減少 CPU 訪問內存的次數(shù),從而提高了 CPU 的工作速度。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。

工作原理

總的來說,CPU 從內存中一條一條地取出指令和相應的數(shù)據(jù),按指令操作碼的規(guī)定,對數(shù)據(jù)進行運算處理,直到程序執(zhí)行完畢為止。具體過程可分為以下四步:

【1】取指令

CPU 控制器從內存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式如下:

 

操作碼:就是匯編語言里的 mov,add,jmp 等符號碼;

操作數(shù)地址:說明該指令需要的操作數(shù)所在的地方,是在內存里還是在CPU的內部寄存器里。

【2】指令譯碼

指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼,決定該指令應進行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數(shù)在哪里(操作數(shù)的地址) 。

【3】 執(zhí)行指令

執(zhí)行指令分為兩個階段: 取操作數(shù) 和 進行運算 。

取操作數(shù):CPU 通過尋址操作,從內存(數(shù)據(jù)段)中讀取操作數(shù)到通用寄存器中,暫存起來。

進行運算:運算單元通過指令中的操作碼,對寄存器中的操作數(shù)進行 mov,add,jmp 操作。

【4】 指令計數(shù)

修改指令計數(shù)器,決定下一條指令的地址 。CPU 重復上述三步操作,處于內存代碼段的指令被逐個的執(zhí)行,直到程序執(zhí)行完畢為止。

CPU 字長

CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以,能處理字長為 8 位數(shù)據(jù)的 CPU 通常就叫 8 位的 CPU。同理,32 位CPU 能在單位時間內處理字長為 32 位的二進制數(shù)據(jù) 。

常見的 32位 CPU 和 64位 CPU 主要存在以下兩個差異:

【1】處理能力不同

32 位 CPU 的一個指令,最大能處理 32 位二進制數(shù)據(jù),即一次能處理 4 個字節(jié)數(shù)據(jù)。
64 位 CPU 的一個指令,最大能處理 64 位二進制數(shù)據(jù),即一次能處理 8 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

【2】尋址空間不同

32 位 CPU 的尋址范圍是 32 位的二進制,32位二進制能表示的地址長度為2的32次方,即尋址空間最大為 4GB。
而 64 位CPU的尋址范圍是 64 位的二進制。能表示的地址長度更大,其尋址空間也會更大。
 
 
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該文章在 2024/4/29 11:01:10 編輯過
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