CPU工作原理,发烧的你不容错过

CPU工作原理,发烧的你不容错过

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CPU的原始工作模式

在了解CPU工作原理之前,我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此,从这个意义上说,CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言,晶体管就是微型电子开关,它们是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。

但你不要以为,只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单,其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来,科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。

看到这里,你一定想知道,晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢?其实,所有电子设备都有自己的电路和开关,电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果你将开关设置为OFF,电子将停止流动,如果你再将其设置为ON,电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制,我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样,晶体管的ON状态用“1”来表示,而OFF状态则用“0”来表示,就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况,将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子,十进位中的1在二进位模式时也是“1”,2在二进位模式时是“10”,3是“11”,4是“100”,5是“101”,6是“110”等等,依此类推,这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值,也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制,晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

CPU的内部结构

现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情,但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢?

1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)

ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础,辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路,在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的,这里就相当于工厂中的生产线,负责运算数据。

2.寄存器组 RS(Register Set或Registers)

RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。

3.控制单元(Control Unit)

正如工厂的物流分配部门,控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,

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