內(nèi)部架構(gòu)

CPU 的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對(duì)計(jì)算機(jī)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(gè)模塊，分別是控制單元、運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元 。其內(nèi)部架構(gòu)如下：

【1】控制單元

控制單元是整個(gè)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OC（Operation Controller） 等組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)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(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號(hào)。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(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

【2】運(yùn)算單元

運(yùn)算單元是運(yùn)算器的核心?？梢詧?zhí)行算術(shù)運(yùn)算（包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)算）和邏輯運(yùn)算（包括移位、邏輯測試或兩個(gè)值比較）。相對(duì)控制單元而言，運(yùn)算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

【3】存儲(chǔ)單元

存儲(chǔ)單元包括 CPU 片內(nèi)緩存和寄存器組，是 CPU 中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU 訪問寄存器所用的時(shí)間要比訪問內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少 CPU 訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了 CPU 的工作速度。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(yīng)的數(shù)據(jù)；而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。

工作原理

總的來說，CPU 從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。具體過程可分為以下四步：

【1】取指令

CPU 控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式如下：

操作碼：就是匯編語言里的 mov，add，jmp 等符號(hào)碼；

操作數(shù)地址：說明該指令需要的操作數(shù)所在的地方，是在內(nèi)存里還是在CPU的內(nèi)部寄存器里。

【2】指令譯碼

指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作（就是指令里的操作碼）、操作數(shù)在哪里（操作數(shù)的地址） 。

【3】 執(zhí)行指令

執(zhí)行指令分為兩個(gè)階段： 取操作數(shù) 和 進(jìn)行運(yùn)算 。

取操作數(shù)：CPU 通過尋址操作，從內(nèi)存（數(shù)據(jù)段）中讀取操作數(shù)到通用寄存器中，暫存起來。

進(jìn)行運(yùn)算：運(yùn)算單元通過指令中的操作碼，對(duì)寄存器中的操作數(shù)進(jìn)行 mov，add，jmp 操作。

【4】 指令計(jì)數(shù)

修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址 。CPU 重復(fù)上述三步操作，處于內(nèi)存代碼段的指令被逐個(gè)的執(zhí)行，直到程序執(zhí)行完畢為止。

CPU 字長

CPU在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以，能處理字長為 8 位數(shù)據(jù)的 CPU 通常就叫 8 位的 CPU。同理，32 位CPU 能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長為 32 位的二進(jìn)制數(shù)據(jù) 。

常見的 32位 CPU 和 64位 CPU 主要存在以下兩個(gè)差異：

【1】處理能力不同