中央處理器的物理結構

1、邏輯部件

英文Logic components；運算邏輯部件。可以執行(xing)定點或(huo)浮點算術(shu)運算操(cao)作(zuo)、移位操(cao)作(zuo)以及邏輯操(cao)作(zuo)，也可執行(xing)地(di)址運算和(he)轉換。

2、寄存器

寄存(cun)(cun)器(qi)部件，包括寄存(cun)(cun)器(qi)、專用寄存(cun)(cun)器(qi)和控(kong)制寄存(cun)(cun)器(qi)。 通用(yong)寄存器又(you)可(ke)分定點(dian)數和浮點(dian)數兩類，它們用(yong)來保存指令執行過程中臨時存放的寄存器操(cao)(cao)作數和中間（或(huo)最(zui)終(zhong)）的操(cao)(cao)作結果。 通用寄存器是中央處理器的重要部件之(zhi)一。

3、控制部件

英文Control unit，控制部件，主要(yao)是負責對(dui)指令譯(yi)碼(ma)，并且發出為完成每條指令所(suo)要(yao)執行的各個(ge)操作的控制信號。

其結構(gou)有兩(liang)種，一種是(shi)以(yi)微(wei)存儲為核心的微(wei)程序控制方式；一種是(shi)以(yi)邏(luo)輯硬布線(xian)結構(gou)為主的控制方式。

微(wei)存儲中保持微(wei)碼，每一(yi)(yi)(yi)個(ge)微(wei)碼對應于(yu)一(yi)(yi)(yi)個(ge)最基本的(de)微(wei)操(cao)作，又(you)稱(cheng)微(wei)指(zhi)令；各條(tiao)指(zhi)令是由(you)(you)不(bu)同序(xu)(xu)列(lie)的(de)微(wei)碼組成，這(zhe)(zhe)種微(wei)碼序(xu)(xu)列(lie)構成微(wei)程序(xu)(xu)。中央處理器在對指(zhi)令譯碼以后，即發(fa)出一(yi)(yi)(yi)定時序(xu)(xu)的(de)控制信號，按給定序(xu)(xu)列(lie)的(de)順序(xu)(xu)以微(wei)周期為(wei)節拍執行由(you)(you)這(zhe)(zhe)些微(wei)碼確定的(de)若干個(ge)微(wei)操(cao)作，即可完成某條(tiao)指(zhi)令的(de)執行。

簡單指令是由（3～5）個微(wei)操(cao)作(zuo)組成(cheng)，復雜指令(ling)則要由幾(ji)十個微(wei)操(cao)作(zuo)甚至幾(ji)百個微(wei)操(cao)作(zuo)組成(cheng)。

該圖片由注冊用戶"科技數碼行"提供，版權聲明反饋

中央處理器的作用

CPU從(cong)存(cun)儲(chu)器或(huo)高速緩沖存(cun)儲(chu)器中取出指(zhi)(zhi)令(ling)，放入指(zhi)(zhi)令(ling)寄存(cun)器，并對指(zhi)(zhi)令(ling)譯碼(ma)。它把指(zhi)(zhi)令(ling)分(fen)解成(cheng)(cheng)一(yi)系列的(de)微操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)，然后發出各種控制命令(ling)，執行(xing)微操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)系列，從(cong)而完成(cheng)(cheng)一(yi)條指(zhi)(zhi)令(ling)的(de)執行(xing)。指(zhi)(zhi)令(ling)是計(ji)算機(ji)(ji)規定(ding)執行(xing)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)的(de)類型和操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)的(de)基本命令(ling)。指(zhi)(zhi)令(ling)是由一(yi)個(ge)(ge)(ge)字(zi)(zi)節或(huo)者多(duo)個(ge)(ge)(ge)字(zi)(zi)節組(zu)成(cheng)(cheng)，其中包(bao)(bao)括操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)碼(ma)字(zi)(zi)段、一(yi)個(ge)(ge)(ge)或(huo)多(duo)個(ge)(ge)(ge)有關操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)地址的(de)字(zi)(zi)段以及一(yi)些表征(zheng)機(ji)(ji)器狀態的(de)狀態字(zi)(zi)以及特征(zheng)碼(ma)。有的(de)指(zhi)(zhi)令(ling)中也直接包(bao)(bao)含操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)本身。

1、提取

第一階段(duan)，提取，從存(cun)儲器或(huo)高速緩沖存(cun)儲器中檢索(suo)指(zhi)令（為數(shu)值或(huo)一系列(lie)數(shu)值）。由程序計數(shu)器（Program Counter）指定存儲器(qi)的位(wei)置(zhi)。(程(cheng)(cheng)序(xu)(xu)計數(shu)器保存供識(shi)別(bie)程(cheng)(cheng)序(xu)(xu)位置的數(shu)值。換言之，程(cheng)(cheng)序(xu)(xu)計數(shu)器記(ji)錄了(le)CPU在(zai)程序(xu)里(li)的蹤(zong)跡。)

2、解碼

CPU根據(ju)存(cun)儲器提取到的(de)指令(ling)來(lai)決定其(qi)執行行為(wei)。在(zai)解碼階段，指令(ling)被(bei)拆解為(wei)有意義的(de)片段。根據(ju)CPU的指(zhi)令集架(jia)構（ISA）定義將數(shu)值(zhi)解譯為指令(ling)。一部分(fen)的指令(ling)數(shu)值(zhi)為運算碼（Opcode），其指(zhi)示要進行哪些運算(suan)。其它的(de)數值通常供給指(zhi)令必要的(de)信(xin)息，諸如一個(ge)加(jia)法（Addition）運算的運算目標。

3、執行

在提取和解碼階段(duan)之后，緊接著進入執(zhi)行(xing)(xing)階段(duan)。該階段(duan)中，連接到(dao)各種能夠進行(xing)(xing)所(suo)需運算的(de)CPU部件。

例如，要(yao)求一個加(jia)法運算(suan)，算(suan)術邏輯(ji)單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）將會連接到一(yi)組輸(shu)(shu)入和一(yi)組輸(shu)(shu)出。輸(shu)(shu)入提(ti)供了(le)要相加的數值，而輸(shu)(shu)出將含有(you)總和的結(jie)果(guo)。ALU內含電(dian)路系統(tong)，易(yi)于(yu)輸(shu)出端完成(cheng)簡單的普通運(yun)算(suan)和(he)邏輯運(yun)算(suan)（比如加(jia)法和(he)位元運(yun)算(suan)）。如果加(jia)法運(yun)算(suan)產生一個對該(gai)CPU處理而言過(guo)大的結果，在標志暫存器里可能會設置(zhi)運算(suan)溢出（Arithmetic Overflow）標(biao)志。

4、寫回

最終(zhong)階段，寫回，以一(yi)定格(ge)式(shi)將執行(xing)階段的結果(guo)簡單(dan)的寫回。運算結果(guo)經常被寫進CPU內部的暫存器，以供隨后(hou)指(zhi)令(ling)快(kuai)速存取。在其(qi)它(ta)案例中，運算(suan)結果可能(neng)寫進速度較慢，但容量較大且較便(bian)宜的主記(ji)憶體(ti)中。某些類型的指(zhi)令(ling)會(hui)操作(zuo)(zuo)程(cheng)序計數器，而不直接產生結果。這些一般稱作(zuo)(zuo)“跳轉”（Jumps），并在程(cheng)式(shi)中帶(dai)來循環行(xing)為、條件性執(zhi)行(xing)（透過條件跳轉(zhuan)）和函式(shi)。許(xu)多(duo)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)會改變(bian)標志(zhi)暫存器(qi)的狀態位元。這(zhe)些標志(zhi)可用來影響(xiang)程(cheng)式(shi)行(xing)為，緣由于(yu)它們時常顯(xian)出各種運算結(jie)果。例如，以一(yi)個(ge)(ge)“比(bi)較(jiao)”指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)判斷兩個(ge)(ge)值大小，根據比(bi)較(jiao)結(jie)果在標志(zhi)暫存器(qi)上(shang)設置一(yi)個(ge)(ge)數(shu)值。這(zhe)個(ge)(ge)標志(zhi)可藉由隨后跳轉(zhuan)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)來決定程(cheng)式(shi)動(dong)向。在執(zhi)行(xing)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)并寫(xie)回結(jie)果之(zhi)后，程(cheng)序計數(shu)器(qi)值會遞增，反覆(fu)整個(ge)(ge)過程(cheng)，下(xia)一(yi)個(ge)(ge)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)周(zhou)期正(zheng)常的提取下(xia)一(yi)個(ge)(ge)順(shun)序指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)。