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      cpu怎么樣工作

      時間: 林輝766 分享

      cpu怎么樣工作

        cpu工作室怎么樣的呢?原理你有去了解過嗎?下面由學習啦小編給你做出詳細的cpu工作介紹!希望對你有幫助!

        cpu工作介紹一

        CPU執(zhí)行3種基本的操作:讀出數(shù)據、處理數(shù)據和往內存寫數(shù)據。它的標稱速度一般用Hz來表示,但是CPU的其他方面,比如芯片的設計,對于CPU的性能也起著非常重要的作用。

        CPU的工作就是處理存儲在存儲器中的信息。一般信息是按字節(jié)存儲的,也就是以8位二進制數(shù)或8比特為1個單元存儲,這些信息可以是數(shù)據或指令。數(shù)據是用二進制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴CPU對數(shù)據執(zhí)行哪些操作,比如完成加法、減法或移位運算。

        cpu工作介紹二

        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是在特別純凈的硅材料上制造的。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(tài):ON(開)和OFF(關)。這一開一關就相當于晶體管的連通與斷開,而這兩種狀態(tài)正好與二進制中的基礎狀態(tài)“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(tài)的晶體管的原理很簡單,其實它們的發(fā)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。后來,科研人員把兩個晶體管放置到一個硅晶體中,這樣便創(chuàng)作出第一個集成電路,再后來才有了微處理器。

        看到這里,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(zhí)行指令和處理數(shù)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(xù)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(tài)用“1”來表示,而OFF狀態(tài)則用“0”來表示,就可以組成最簡單的二進制數(shù)。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(shù)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(shù)據。成組的晶體管聯(lián)合起來可以存儲數(shù)值,也可以進行邏輯運算和數(shù)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(zhí)行它們的功能。

        CPU的內部結構

        現(xiàn)在我們已經大概知道CPU是負責些什么事情,但是具體由哪些部件負責處理數(shù)據和執(zhí)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,這里就相當于工廠中的生產線,負責運算數(shù)據。

        2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)

        RS實質上是CPU中暫時存放數(shù)據的地方,里面保存著那些等待處理的數(shù)據,或已經處理過的數(shù)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(shù),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(shù)據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。

        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(xié)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。

        4.總線(Bus)

        就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道,總線實際上是一組導線,是各種公共信號線的集合,用于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(shù)據總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus) 、控制總線CB(Control Bus)。其中,數(shù)據總線用來傳輸數(shù)據信息;地址總線用于傳送CPU發(fā)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(tài)信息等。

        CPU的工作流程

        由晶體管組成的CPU是作為處理數(shù)據和執(zhí)行程序的核心,其英文全稱是:Central Processing Unit,即中央處理器。首先,CPU的內部結構可以分為控制單元,邏輯運算單元和存儲單元(包括內部總線及緩沖器)三大部分。CPU的工作原理就像一個工廠對產品的加工過程:進入工廠的原料(程序指令),經過物資分配部門(控制單元)的調度分配,被送往生產線(邏輯運算單元),生產出成品(處理后的數(shù)據)后,再存儲在倉庫(存儲單元)中,最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。在這個過程中,我們注意到從控制單元開始,CPU就開始了正式的工作,中間的過程是通過邏輯運算單元來進行運算處理,交到存儲單元代表工作的結束。

        數(shù)據與指令在CPU中的運行

        剛才已經為大家介紹了CPU的部件及基本原理情況,現(xiàn)在,我們來看看數(shù)據是怎樣在CPU中運行的。我們知道,數(shù)據從輸入設備流經內存,等待CPU的處理,這些將要處理的信息是按字節(jié)存儲的,也就是以8位二進制數(shù)或8比特為1個單元存儲,這些信息可以是數(shù)據或指令。數(shù)據可以是二進制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴CPU對數(shù)據執(zhí)行哪些操作,比如完成加法、減法或移位運算。

        我們假設在內存中的數(shù)據是最簡單的原始數(shù)據。首先,指令指針(Instruction Pointer)會通知CPU,將要執(zhí)行的指令放置在內存中的存儲位置。因為內存中的每個存儲單元都有編號(稱為地址),可以根據這些地址把數(shù)據取出,通過地址總線送到控制單元中,指令譯碼器從指令寄存器IR中拿來指令,翻譯成CPU可以執(zhí)行的形式,然后決定完成該指令需要哪些必要的操作,它將告訴算術邏輯單元(ALU)什么時候計算,告訴指令讀取器什么時候獲取數(shù)值,告訴指令譯碼器什么時候翻譯指令等等。

        假如數(shù)據被送往算術邏輯單元,數(shù)據將會執(zhí)行指令中規(guī)定的算術運算和其他各種運算。當數(shù)據處理完畢后,將回到寄存器中,通過不同的指令將數(shù)據繼續(xù)運行或者通過DB總線送到數(shù)據緩存器中。

        基本上,CPU就是這樣去執(zhí)行讀出數(shù)據、處理數(shù)據和往內存寫數(shù)據3項基本工作。但在通常情況下,一條指令可以包含按明確順序執(zhí)行的許多操作,CPU的工作就是執(zhí)行這些指令,完成一條指令后,CPU的控制單元又將告訴指令讀取器從內存中讀取下一條指令來執(zhí)行。這個過程不斷快速地重復,快速地執(zhí)行一條又一條指令,產生你在顯示器上所看到的結果。我們很容易想到,在處理這么多指令和數(shù)據的同時,由于數(shù)據轉移時差和CPU處理時差,肯定會出現(xiàn)混亂處理的情況。為了保證每個操作準時發(fā)生,CPU需要一個時鐘,時鐘控制著CPU所執(zhí)行的每一個動作。時鐘就像一個節(jié)拍器,它不停地發(fā)出脈沖,決定CPU的步調和處理時間,這就是我們所熟悉的CPU的標稱速度,也稱為主頻。主頻數(shù)值越高,表明CPU的工作速度越快。

        如何提高CPU工作效率

        既然CPU的主要工作是執(zhí)行指令和處理數(shù)據,那么工作效率將成為CPU的最主要內容,因此,各CPU廠商也盡力使CPU處理數(shù)據的速度更快。

        根據CPU的內部運算結構,一些制造廠商在CPU內增加了另一個算術邏輯單元(ALU),或者是另外再設置一個處理非常大和非常小的數(shù)據浮點運算單元(Floating Point Unit,F(xiàn)PU),這樣就大大加快了數(shù)據運算的速度。

        而在執(zhí)行效率方面,一些廠商通過流水線方式或以幾乎并行工作的方式執(zhí)行指令的方法來提高指令的執(zhí)行速度。剛才我們提到,指令的執(zhí)行需要許多獨立的操作,諸如取指令和譯碼等。最初CPU在執(zhí)行下一條指令之前必須全部執(zhí)行完上一條指令,而現(xiàn)在則由分布式的電路各自執(zhí)行操作。也就是說,當這部分的電路完成了一件工作后,第二件工作立即占據了該電路,這樣就大大增加了執(zhí)行方面的效率。

        另外,為了讓指令與指令之間的連接更加準確,現(xiàn)在的CPU通常會采用多種預測方式來控制指令更高效率地執(zhí)行。

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