[科普中國(guó)]-中央處理器模塊

基本概念

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。

中央處理器主要包括運(yùn)算器（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)（Data）、控制及狀態(tài)的總線（Bus）。它與內(nèi)部存儲(chǔ)器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設(shè)備合稱為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。

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，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來(lái)。

模塊劃分要實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)需要三個(gè)主要的組成部分1：

（1）計(jì)算對(duì)位進(jìn)行操作的函數(shù)的組合邏輯（ALU）；

（2）存儲(chǔ)位的存儲(chǔ)器元素（寄存器）；

（3）控制存儲(chǔ)器元素更新的時(shí)鐘信號(hào)。

CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)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，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來(lái)。如下所示：

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，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(guò)指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)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。

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(cè)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(lái)指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

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(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因?yàn)槭艿叫酒娣e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2。

物理結(jié)構(gòu)CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

邏輯部件英文Logic components；運(yùn)算邏輯部件?？梢詧?zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。

更細(xì)一點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)的功能方面看，CPU大致可分為如下八個(gè)邏輯單元：

（1）指令寄存器 ：它是芯片上的指令倉(cāng)庫(kù)，有了它CPU就不必停下來(lái)查找計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的指令，從而大幅提高了CPU的運(yùn)算速度。

（2）指令譯碼器 ：它負(fù)責(zé)將復(fù)雜的機(jī)器語(yǔ)言指令解譯成運(yùn)算邏輯單元（ALU）和寄存器能夠理解的簡(jiǎn)單格式，就像一位外交官。

（3）控制單元 ：既然指令可以存入CPU，而且有相應(yīng)指令來(lái)完成運(yùn)算前的準(zhǔn)備工作，背后自然有一個(gè)扮演推動(dòng)作用的角色——它便是負(fù)責(zé)整個(gè)處理過(guò)程的操作控制器。根據(jù)來(lái)自譯碼單元的指令，它會(huì)生成控制信號(hào)，告訴運(yùn)算邏輯單元（ALU）和寄存器如何運(yùn)算、對(duì)什么進(jìn)行運(yùn)算以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行怎樣的處理。

（4）寄存器 ：它對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)非常的重要，除了存放程序的部分指令，它還負(fù)責(zé)存儲(chǔ)指針跳轉(zhuǎn)信息以及循環(huán)操作命令，是運(yùn)算邏輯單元（ALU）為完成控制單元請(qǐng)求的任務(wù)所使用的數(shù)據(jù)的小型存儲(chǔ)區(qū)域，其數(shù)據(jù)來(lái)源可以是高速緩存、內(nèi)存、控制單元中的任何一個(gè)。

（5）邏輯運(yùn)算單元（ALU） ：它是CPU芯片的智能部件，能夠執(zhí)行加、減、乘、除等各種命令。此外，它還知道如何讀取邏輯命令，如或、與、非。來(lái)自控制單元的訊息將告訴運(yùn)算邏輯單元應(yīng)該做些什么，然后運(yùn)算單元會(huì)從寄存器中間斷或連續(xù)提取數(shù)據(jù)，完成最終的任務(wù)。

（6）預(yù)取單元 ：PU效能發(fā)揮對(duì)其依賴非常明顯，預(yù)取命中率的高低直接關(guān)系到CPU核心利用率的高低，進(jìn)而帶來(lái)指令執(zhí)行速度上的不同。根據(jù)命令或要執(zhí)行任務(wù)所提出的要求，何時(shí)時(shí)候，預(yù)取單元都有可能從指令高速緩存或計(jì)算機(jī)內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)和指令。當(dāng)指令到達(dá)時(shí)，預(yù)取單元最重要的任務(wù)就是確保所有指令均排列正確，然后發(fā)送給譯碼單元。

（7）總線單元 ：它就像一條高速公路，快速完成各個(gè)單元間的數(shù)據(jù)交換，也是數(shù)據(jù)從內(nèi)存流進(jìn)和流出CPU的地方。

（8）數(shù)據(jù)高速緩存 ：存儲(chǔ)來(lái)自譯碼單元專門(mén)標(biāo)記的數(shù)據(jù)，以備邏輯運(yùn)算單元使用，同時(shí)還準(zhǔn)備了分配到計(jì)算機(jī)不同部分的最終結(jié)果。

寄存器寄存器部件，包括寄存器、專用寄存器和控制寄存器。 通用寄存器又可分定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩類(lèi)，它們用來(lái)保存指令執(zhí)行過(guò)程中臨時(shí)存放的寄存器操作數(shù)和中間（或最終）的操作結(jié)果。 通用寄存器是中央處理器的重要部件之一。

控制器英文Control unit；控制部件，主要是負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)。

其結(jié)構(gòu)有兩種：一種是以微存儲(chǔ)為核心的微程序控制方式；一種是以邏輯硬布線結(jié)構(gòu)為主的控制方式。

微存儲(chǔ)中保持微碼，每一個(gè)微碼對(duì)應(yīng)于一個(gè)最基本的微操作，又稱微指令；各條指令是由不同序列的微碼組成，這種微碼序列構(gòu)成微程序。中央處理器在對(duì)指令譯碼以后，即發(fā)出一定時(shí)序的控制信號(hào)，按給定序列的順序以微周期為節(jié)拍執(zhí)行由這些微碼確定的若干個(gè)微操作，即可完成某條指令的執(zhí)行。

簡(jiǎn)單指令是由（3～5）個(gè)微操作組成，復(fù)雜指令則要由幾十個(gè)微操作甚至幾百個(gè)微操作組成。