CPU的內(nèi)部架構(gòu)和工作原理

1、CPU的內(nèi)部架構(gòu)和工作原理一直以來，總以為CPU內(nèi)部真是如當(dāng)年學(xué)習(xí)計算機組成原理時書上所介紹的那樣，是各種邏輯門器件的組合。當(dāng)看到納米技術(shù)時就想，真的可以把那些器件做的那么小么？直到看了IntelCPU制作流程及AMD芯片的制作流程的介紹不禁感慨，原來科技是如此的發(fā)達(dá)。本文我們以Intel為例對CPU的工作原理做簡單介紹，僅僅是簡單介紹，那么AMD，ARM，MIPS甚至PowerPC你應(yīng)該會觸類旁通才對。還記得那是1968年7月18日，鮑勃-諾斯和戈登-摩爾的新公司在美國加利福尼亞州，美麗的圣弗朗西斯科灣畔芒延維尤城的梅多費大街365號開張了。并在成立不久斥資15000美元從一家叫INTELC

2、O的公司手中買下了Intel名稱的使用權(quán)。由此Intel這位半導(dǎo)體巨人開始了他在IT行業(yè)傳奇般的歷史。1971年11月15日，這一天被當(dāng)作全球IT界具有里程碑意義的日子而被寫入許多計算機專業(yè)教科書。Intel公司的工程師特德霍夫發(fā)明了世界上第一個微處理器-4004,這款4位微處理器雖然只有45條指令，而且每秒只能執(zhí)行5萬條指令。甚至比不上1946年由美國陸軍賓夕法尼亞大學(xué)研制的世界第一臺計算機ENIAC。但它的集成度卻要高很多，一塊4004的重量還不到一盅司。他因發(fā)明了微處理器，被英國經(jīng)濟學(xué)家雜志稱為“、第二次世界大戰(zhàn)以來最有影響的科學(xué)家之一。Intel公司的CPU發(fā)展歷程如下表所示:型導(dǎo)位寬

3、總續(xù)位寬地址位尋址空間音注40M4464AB8D088816K19124180SO8目餡64Kt9744-t8版161620ILI1978-6.8XB6起涌8D88除了小劄總線位竟是其他繪數(shù)和日口即完全一致SDIfiS161620商里認(rèn)文校8036多了幾條指號而已3028616162416M多任務(wù)、多用戶系統(tǒng)的梯心303863232324G包含了分頁的虛內(nèi)存機制9D4SS3232324；Pentium1234第寄，酷客士以及后面的Pentium1,2,3和4,再到酷睿、酷睿2,這里就不再一一列舉。Intel從8086開始，就進(jìn)入了我們所謂的x86時代。而80386的誕生則標(biāo)志著Intel正是進(jìn)

4、入了32位微處理器的時代。從80386到Pentium4這個年代的CPU，就是傳說中的IA-32時代。我們都知道CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對計算機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個模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。如下所示:控制單元：控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由程序計數(shù)器PC(ProgramCounter),指令寄存器IR(InstructionRegister)、指令譯碼器ID(InstructionDecoder)和操作控制器OC(OperationController)等，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作

5、極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)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(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過操作控制器。按確定的時序，向相應(yīng)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(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。運算單元：是運算器的核心?？梢詧?zhí)行算術(shù)運算(包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動作，即運算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。存儲單元：包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU

6、中暫時存放數(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間要比訪問內(nèi)存的時間短。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。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(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，通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。這個是我們以后要介紹這個重點，這里先提一下。我們將上圖細(xì)化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下:CPU內(nèi)存代碼段數(shù)據(jù)段I21L廿#-h數(shù)數(shù)數(shù)總的來說，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的

7、數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。上圖中我沒有畫總線，只是用邏輯方式對其進(jìn)行呈現(xiàn)。原因早期Intel的微處理器，諸如8085,8086/8088CPU，普遍采用了地址總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用技術(shù)，即將部分（或全部）地址總線與數(shù)據(jù)總線共用CPU的一些引腳。例如8086外部地址總線有20根，數(shù)據(jù)總線復(fù)用了地址總線的前16根引腳。復(fù)用的數(shù)據(jù)總線和地址總線雖然可以少CPU的引腳數(shù)，但卻引入了控制邏輯及操作序列上的復(fù)雜性。所以，自80286開始，Intel的CPU才采用分開的地址總線和數(shù)據(jù)總線。不管是復(fù)用還是分開，對我們理解CPU的運行原理沒啥影響，上圖沒畫總線的目的就是怕有

8、些人太過于追求細(xì)節(jié)，一頭扎下去，浮不起來，不能從宏觀上藐視敵人?？偨Y(jié)一下，CPU的運行原理就是：控制單元在時序脈沖的作用下，將指令計數(shù)器里所指向的指令地址（這個地址是在內(nèi)存里的）送到地址總線上去，然后CPU將這個地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對于執(zhí)行指令過程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲單元（就是內(nèi)部寄存器）暫存起來，最后命令運算單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。周而復(fù)始，一直這樣執(zhí)行下去，天荒地老，海枯石爛，直到停電。如果你對這段話還是覺得比較暈乎，那么就看我們老師是怎么講的：1、取指令：CPU的控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個樣子滴：操作碼操作數(shù)的地址操作碼就是匯編語言里的mov,add,jmp等符號碼；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，分兩個階段取操作數(shù)”和進(jìn)行運算”。4、修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址。1取指令2指令譯碼.J3執(zhí)行指令4修改指令計數(shù)器關(guān)于CPU我們從宏觀上把握到這個程度就OK了，后面我們會逐步進(jìn)入微