CPU的內部架構和工作原理

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內部架構

CPU 的根本任務就是執行指令，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 個模組，分別是控制單元、運算單元和儲存單元 。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，由指令暫存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoder）和 操作控制器OC（Operation Controller） 等組成，對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據使用者預先編好的程式，依次從儲存器中取出各條指令，放在指令暫存器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訊號。操作控制器OC中主要包括：節拍脈衝發生器、控制矩陣、時鐘脈衝發生器、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。可以執行算術運算（包括加減乘數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出的控制訊號來指揮的，所以它是執行部件。

【3】儲存單元

　　儲存單元包括 CPU 片內快取和暫存器組，是 CPU 中暫時存放資料的地方，裡面儲存著那些等待處理的資料，或已經處理過的資料，CPU 訪問暫存器所用的時間要比訪問記憶體的時間短。採用暫存器，可以減少 CPU 訪問記憶體的次數，從而提高了 CPU 的工作速度。暫存器組可分為專用暫存器和通用暫存器。專用暫存器的作用是固定的，分別寄存相應的資料；而通用暫存器用途廣泛並可由程式設計師規定其用途。

工作原理

　　總的來說，CPU 從記憶體中一條一條地取出指令和相應的資料，按指令操作碼的規定，對資料進行運算處理，直到程式執行完畢為止。具體過程可分為以下四步：

【1】取指令

　　CPU 控制器從記憶體讀取一條指令並放入指令暫存器。指令的格式如下：

操作碼：就是組合語言裡的 mov，add，jmp 等符號碼；

運算元地址：說明該指令需要的運算元所在的地方，是在記憶體裡還是在CPU的內部暫存器裡。

【2】指令譯碼

指令暫存器中的指令經過譯碼，決定該指令應進行何種操作（就是指令裡的操作碼）、運算元在哪裡（運算元的地址） 。

【3】 執行指令

執行指令分為兩個階段： 取運算元 和 進行運算 。

取運算元：CPU 通過定址操作，從記憶體（資料段）中讀取運算元到通用暫存器中，暫存起來。

進行運算：運算單元通過指令中的操作碼，對暫存器中的運算元進行 mov，add，jmp 操作。

【4】 指令計數

修改指令計數器，決定下一條指令的地址 。CPU 重複上述三步操作，處於記憶體程式碼段的指令被逐個的執行，直到程式執行完畢為止。

CPU 字長

CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進位制數的位數叫字長。所以，能處理字長為 8 位資料的 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 位的二進位制資料 。

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

【2】定址空間不同