组成原理—CPU的基础原理

浅谈CPU(Central Processing Unit)

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机中的控制核心和运算核心。它的主要功能是翻译程序指令和进行数据处理。

中央处理器主要由运算器（算数逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和缓冲存储器（Cache）组成，也包括能实现它们之间联系的数据、控制单元和总线。

中央处理器的主要作用是将程序中的指令翻译成机器指令供机器识别，继而实现数据的处理。所以，CPU的根本任务就是执行程序指令。

下面来分析CPU是如何完成程序指令的执行：

首先，CPU的工作主要由三个单元构成，分别是：控制单元、运算单元和存储单元。

一.控制单元

    CPU的控制单元主要由指令计数器（IC、Instruction Counter）、指令寄存器（IR、Instruction Register）、指令译码器（ID、Instruction Decoder）和操作控制器（OC、Opreater）组成。

1、指令计数器 IC

     指令计数器又称程序计数器，是中央处理器内的一个寄存器，其作用是存放当前正在进行的指令的地址。当指令计算器中指令被取出后，计数器内的地址加一或者指针下移一位，此时计数器内的地址即为下一条指令的地址。

2、指令寄存器 IR

     指令寄存器的主要功能是存储将要执行的程序指令。由指令计数器中的指令地址找到内存中相对应的指令地址后，处理器将此条指令存储进指令寄存器中，以供后续使用。

3、指令译码器 ID

     程序指令存储进处理器的指令寄存器后，由指令译码器将由高级语言表示的指令翻译成计算机能够识别的机器语言。

4、操作控制器 OC

     操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，发送给运算单元，完成取指令和执行操作的控制。

二.存储单元

     CPU的存储单元主要由CPU的内缓存寄存器和寄存器组构成，主要用于暂时存放数据（包括待处理的和已处理的数据）。

     由于CPU访问自身内寄存器的访问速度比CPU访问系统内存数据的访问速度快得多，所以，将内存中的数据读取进CPU的内缓存器中，减少了CPU访问系统内存的次数，提 高了访问效率和CPU的工作速度。

三.运算单元

     计算机的运算包括算术运算（如加减乘除）和逻辑运算。

     处理器内的运算单元接收控制单元发出的信号和存储单元内的对应数据，实现操作的执行。

     故，运算单元是中央控制器内的执行单元，它的所有动作都按照控制单元发出的信号进行。

CPU的三个主要单元有序循环工作，便能实现CPU的命令执行功能：

Step1：取指令。处理器根据指令计数器中存放的地址找到内存中对应的指令，并将其存储进处理器内的指令寄存器中，即完成了“取指令”操作。与此同时，指令计数器的地址变成下一条指令的地址。

Step2：翻译指令。从内存中取出的指令是由高级程序语言表示的，不能被计算机直接识别。通过指令译码器的处理，寄存在指令寄存器中的指令变成能够被计算机直接识别的机器语言以实现指令的执行。

Step3：执行指令。操作控制器将译码后的指令发送给相应的运算单元，运算单元结合存储单元内的数据，对数据进行进行相应的操作。

这三个步骤有序的循环进行，直到程序指令结束，即能完成指令的执行。