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CPU的功能和工作原理

發(fā)布時間: 2012/9/10 17:44:38

　　計算機求解問題是通過執(zhí)行程序來實現(xiàn)的。程序是由指令構(gòu)成的序列，執(zhí)行程序就是按指令序列逐條執(zhí)行指令。一旦把程序裝入主存儲器（簡稱主存）中，就可以由CPU自動地完成從主存取指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。

英特爾和AMD主流CPU和CPU插槽

CPU具有以下4個方面的基本功能：

1. 指令順序控制

這是指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴格順序的，必須嚴格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計算機工作的正確性。

2. 操作控制

一條指令的功能往往是由計算機中的部件執(zhí)行一序列的操作來實現(xiàn)的。CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號，發(fā)給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。

3. 時間控制

時間控制就是對各種操作實施時間上的定時。在一條指令的執(zhí)行過程中，在什么時間做什么操作均應(yīng)受到嚴格的控制。只有這樣，計算機才能有條不紊地自動工作。

4. 數(shù)據(jù)加工

即對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算，或進行其他的信息處理。

工作原理

CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作系列，從而完成一條指令的執(zhí)行。

指令是計算機規(guī)定執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)的基本命令。指令是由一個字節(jié)或者多個字節(jié)組成，其中包括操作碼字段、一個或多個有關(guān)操作數(shù)地址的字段以及一些表征機器狀態(tài)的狀態(tài)字以及特征碼。有的指令中也直接包含操作數(shù)本身。

提取

第一階段，提取，從存儲器或高速緩沖存儲器中檢索指令（為數(shù)值或一系列數(shù)值）。由程序計數(shù)器（Program Counter）指定存儲器的位置，程序計數(shù)器保存供識別目前程序位置的數(shù)值。換言之，程序計數(shù)器記錄了CPU在目前程序里的蹤跡。

提取指令之后，程序計數(shù)器根據(jù)指令長度增加存儲器單元。指令的提取必須常常從相對較慢的存儲器尋找，因此導(dǎo)致CPU等候指令的送入。這個問題主要被論及在現(xiàn)代處理器的快取和管線化架構(gòu)。

解碼

CPU根據(jù)存儲器提取到的指令來決定其執(zhí)行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片斷。根據(jù)CPU的指令集架構(gòu)（ISA）定義將數(shù)值解譯為指令。一部分的指令數(shù)值為運算碼（Opcode），其指示要進行哪些運算。其它的數(shù)值通常供給指令必要的信息，諸如一個加法（Addition）運算的運算目標。這樣的運算目標也許提供一個常數(shù)值（即立即值），或是一個空間的定址值：暫存器或存儲器位址，以定址模式?jīng)Q定。在舊的設(shè)計中，CPU里的指令解碼部分是無法改變的硬件設(shè)備。不過在眾多抽象且復(fù)雜的CPU和指令集架構(gòu)中，一個微程序時常用來幫助轉(zhuǎn)換指令為各種形態(tài)的訊號。這些微程序在已成品的CPU中往往可以重寫，方便變更解碼指令。

執(zhí)行

在提取和解碼階段之后，接著進入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。

例如，要求一個加法運算，算術(shù)邏輯單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而輸出將含有總和的結(jié)果。ALU內(nèi)含電路系統(tǒng)，易于輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算（比如加法和位元運算）。如果加法運算產(chǎn)生一個對該CPU處理而言過大的結(jié)果，在標志暫存器里，運算溢出（Arithmetic Overflow）標志可能會被設(shè)置。

寫回

最終階段，寫回，以一定格式將執(zhí)行階段的結(jié)果簡單的寫回。運算結(jié)果經(jīng)常被寫進CPU內(nèi)部的暫存器，以供隨后指令快速存取。在其它案例中，運算結(jié)果可能寫進速度較慢，但容量較大且較便宜的主記憶體中。某些類型的指令會操作程序計數(shù)器，而不直接產(chǎn)生結(jié)果。這些一般稱作“跳轉(zhuǎn)”（Jumps），并在程式中帶來循環(huán)行為、條件性執(zhí)行（透過條件跳轉(zhuǎn)）和函式。許多指令會改變標志暫存器的狀態(tài)位元。這些標志可用來影響程式行為，緣由于它們時常顯出各種運算結(jié)果。例如，以一個“比較”指令判斷兩個值大小，根據(jù)比較結(jié)果在標志暫存器上設(shè)置一個數(shù)值。這個標志可藉由隨后跳轉(zhuǎn)指令來決定程式動向。在執(zhí)行指令并寫回結(jié)果之后，程序計數(shù)器值會遞增，反覆整個過程，下一個指令周期正常的提取下一個順序指令。如果完成的是跳轉(zhuǎn)指令，程序計數(shù)器將會修改成跳轉(zhuǎn)到的指令位址，且程序繼續(xù)正常執(zhí)行。許多復(fù)雜的CPU可以一次提取多個指令、解碼，并且同時執(zhí)行。這個部分一般涉及“經(jīng)典RISC管線”，那些實際上是在眾多使用簡單CPU的電子裝置中快速普及（常稱為微控制（Microcontrollers））。
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