中央處理器的物理結構

1、邏輯部件

英文Logic components；運(yun)(yun)算(suan)邏(luo)輯部件。可(ke)以執行定點(dian)或浮點(dian)算(suan)術運(yun)(yun)算(suan)操(cao)(cao)作(zuo)、移位操(cao)(cao)作(zuo)以及邏(luo)輯操(cao)(cao)作(zuo)，也可(ke)執行地址運(yun)(yun)算(suan)和轉換。

2、寄存器

寄存器(qi)部件(jian)，包括寄存器(qi)、專用寄存器(qi)和(he)控制寄存器(qi)。 通用寄存(cun)(cun)器又(you)可分定點(dian)數(shu)和浮點(dian)數(shu)兩(liang)類，它們用來保存(cun)(cun)指令執行(xing)過程中臨(lin)時存(cun)(cun)放的寄存(cun)(cun)器操作(zuo)數(shu)和中間（或最終(zhong)）的操作(zuo)結(jie)果。 通用寄(ji)存(cun)器是中央處(chu)理器的重要(yao)部件之一。

3、控制部件

英文Control unit，控制(zhi)部件，主(zhu)要是負責對指令(ling)譯碼，并且發出為完成每條指令(ling)所(suo)要執(zhi)行(xing)的各個操作的控制(zhi)信號(hao)。

其結構(gou)有(you)兩(liang)種(zhong)(zhong)，一(yi)種(zhong)(zhong)是以微存儲為(wei)核心(xin)的微程序控(kong)制方式(shi)(shi)；一(yi)種(zhong)(zhong)是以邏輯(ji)硬布線結構(gou)為(wei)主的控(kong)制方式(shi)(shi)。

微(wei)(wei)(wei)(wei)存(cun)儲中(zhong)保持微(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)，每一個微(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)對應于一個最基(ji)本的(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)操作(zuo)，又稱微(wei)(wei)(wei)(wei)指令(ling)(ling)(ling)；各條指令(ling)(ling)(ling)是由不同序(xu)列(lie)的(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)組成(cheng)，這種微(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)序(xu)列(lie)構成(cheng)微(wei)(wei)(wei)(wei)程序(xu)。中(zhong)央處理器(qi)在對指令(ling)(ling)(ling)譯碼(ma)以(yi)后，即發出一定時序(xu)的(de)控制信號(hao)，按給定序(xu)列(lie)的(de)順序(xu)以(yi)微(wei)(wei)(wei)(wei)周期(qi)為(wei)節拍執行由這些(xie)微(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)確定的(de)若干個微(wei)(wei)(wei)(wei)操作(zuo)，即可完成(cheng)某條指令(ling)(ling)(ling)的(de)執行。

簡單指令是由(you)（3～5）個微(wei)(wei)操(cao)作(zuo)組(zu)成(cheng)，復雜指(zhi)令則要由幾十(shi)個微(wei)(wei)操(cao)作(zuo)甚(shen)至(zhi)幾百(bai)個微(wei)(wei)操(cao)作(zuo)組(zu)成(cheng)。

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中央處理器的作用

CPU從存(cun)儲(chu)器(qi)或高速緩沖存(cun)儲(chu)器(qi)中(zhong)取出(chu)指(zhi)(zhi)令(ling)，放(fang)入指(zhi)(zhi)令(ling)寄存(cun)器(qi)，并對(dui)指(zhi)(zhi)令(ling)譯碼。它把指(zhi)(zhi)令(ling)分解成一系列的(de)(de)微(wei)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)，然后(hou)發(fa)出(chu)各種控制命令(ling)，執(zhi)行(xing)(xing)微(wei)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)系列，從而完成一條指(zhi)(zhi)令(ling)的(de)(de)執(zhi)行(xing)(xing)。指(zhi)(zhi)令(ling)是計(ji)算機(ji)規定執(zhi)行(xing)(xing)操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)的(de)(de)類型(xing)和操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)的(de)(de)基(ji)本命令(ling)。指(zhi)(zhi)令(ling)是由一個(ge)(ge)字(zi)節(jie)或者(zhe)多(duo)個(ge)(ge)字(zi)節(jie)組成，其(qi)中(zhong)包括操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)碼字(zi)段、一個(ge)(ge)或多(duo)個(ge)(ge)有關操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)地址的(de)(de)字(zi)段以及一些(xie)表(biao)征(zheng)機(ji)器(qi)狀(zhuang)態的(de)(de)狀(zhuang)態字(zi)以及特征(zheng)碼。有的(de)(de)指(zhi)(zhi)令(ling)中(zhong)也直(zhi)接(jie)包含操(cao)(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)本身。

1、提取

第一階段，提取，從存儲(chu)器或(huo)高速緩沖存儲(chu)器中檢索指令（為(wei)數值(zhi)或(huo)一系列數值(zhi)）。由(you)程序計數器（Program Counter）指定存儲器的位置。(程(cheng)序計數(shu)器保(bao)存供識(shi)別程(cheng)序位(wei)置的數(shu)值。換(huan)言(yan)之，程(cheng)序計數(shu)器記錄(lu)了CPU在程序里(li)的蹤跡。)

2、解碼

CPU根據存儲器提(ti)取到的指令(ling)來決定其執行(xing)行(xing)為。在解碼階段，指令(ling)被拆(chai)解為有意義(yi)的片段。根據CPU的指令集架構(gou)（ISA）定義將數值(zhi)(zhi)解譯為(wei)指(zhi)令。一部(bu)分的指(zhi)令數值(zhi)(zhi)為(wei)運算碼（Opcode），其指(zhi)示(shi)要(yao)進行哪些運算。其它的數值通(tong)常(chang)供(gong)給指(zhi)令必要(yao)的信息，諸如(ru)一個加法(fa)（Addition）運算(suan)的運算(suan)目標(biao)。

3、執行

在提取(qu)和(he)解(jie)碼階段之后，緊接(jie)著進入執(zhi)行(xing)階段。該階段中(zhong)，連接(jie)到各種能(neng)夠進行(xing)所需運算的CPU部件。

例如(ru)，要求一個加法運(yun)算，算術(shu)邏(luo)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值(zhi)，而(er)輸出將含有總和的結果。ALU內含電路(lu)系統(tong)，易于(yu)輸出端完成簡單的普通運(yun)算和(he)邏輯運(yun)算（比(bi)如(ru)加法和(he)位元運(yun)算）。如(ru)果加法運(yun)算產生一個(ge)對(dui)該CPU處(chu)理(li)而言過大的結果，在標志暫存(cun)器里可能會(hui)設置(zhi)運算溢出(chu)（Arithmetic Overflow）標志(zhi)。

4、寫回

最終(zhong)階(jie)段(duan)，寫(xie)回，以(yi)一(yi)定(ding)格(ge)式將執行階(jie)段(duan)的結果(guo)簡單的寫(xie)回。運算(suan)結果(guo)經常被寫(xie)進(jin)CPU內部的暫存器(qi)(qi)，以供(gong)隨后指(zhi)令快速存取(qu)。在其(qi)它案例中，運(yun)算(suan)結果可(ke)能寫進速度較慢，但(dan)容量較大且較便宜的主記憶體中。某些(xie)類(lei)型(xing)的指(zhi)令會操作程序計數器(qi)(qi)，而不(bu)直接(jie)產生(sheng)結果。這些(xie)一般稱作“跳轉(zhuan)”（Jumps），并(bing)在程(cheng)式(shi)(shi)(shi)中帶來(lai)循環行(xing)為(wei)、條(tiao)(tiao)件性執行(xing)（透過條(tiao)(tiao)件跳轉）和(he)函式(shi)(shi)(shi)。許多(duo)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)會改變標(biao)志暫(zan)存器的(de)狀態位(wei)元。這些標(biao)志可用來(lai)影(ying)響程(cheng)式(shi)(shi)(shi)行(xing)為(wei)，緣由于(yu)它們時常(chang)顯出(chu)各種運(yun)算結果。例如，以一(yi)個“比較”指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)判斷兩個值大小，根據比較結果在標(biao)志暫(zan)存器上設置一(yi)個數(shu)值。這個標(biao)志可藉由隨后(hou)跳轉指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)來(lai)決(jue)定程(cheng)式(shi)(shi)(shi)動向。在執行(xing)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)并(bing)寫(xie)回結果之(zhi)后(hou)，程(cheng)序(xu)計數(shu)器值會遞增，反覆整個過程(cheng)，下一(yi)個指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)周(zhou)期正(zheng)常(chang)的(de)提(ti)取下一(yi)個順序(xu)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)。