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中央處理器模�
閱讀�4222�(shí)間:2017-11-17 09:58:18

  中央處理�CPU,CentralProcessingUnit)是一塊超大規(guī)模的集成電路,是一�(tái)�(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心(Core)和控制核心(ControlUnit)。它的功能主要是解釋�(jì)算機(jī)指令以及處理�(jì)算機(jī)軟件中的�(shù)�(jù)。CPU從邏輯上可以劃分�3�(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�(nèi)�總線連接起來�

模塊劃分

  要實(shí)�(xiàn)一�(gè)�(shù)字系�(tǒng)需要三�(gè)主要的組成部分:
 ?�?)計(jì)算對(duì)位�(jìn)行操作的函數(shù)的組合邏輯(ALU��
 ?�?)存�(chǔ)位的存儲(chǔ)器元素(寄存器)�
 ?�?)控制存�(chǔ)器元素更新的�(shí)鐘信�(hào)�
  CPU的根本任�(wù)就是�(zhí)行指�,對(duì)�(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�3�(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�(nèi)部總線連接起來。如下所示:

數(shù)字系統(tǒng)組成

  控制單元
  控制單元是整�(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)�,對(duì)�(xié)�(diào)整�(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶�(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�(yīng)該�(jìn)行什么操�,然后通過操作控制器OC,按確定的時(shí)�,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�
  �(yùn)算單�
  是運(yùn)算器的核�??梢�?zhí)行算�(shù)�(yùn)�(包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)�)和邏輯運(yùn)�(包括移位、邏輯測(cè)試或兩�(gè)值比�)。相�(duì)控制單元而言,運(yùn)算器接受控制單元的命令而�(jìn)行動(dòng)�,即�(yùn)算單元所�(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��
  存儲(chǔ)單元
  包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組,是CPU中暫�(shí)存放�(shù)�(jù)的地�,里面保存著那些等待處理的數(shù)�(jù),或已經(jīng)處理過的�(shù)�(jù),CPU訪問寄存器所用的�(shí)間要比訪問內(nèi)存的�(shí)間短。采用寄存器,可以減少CPU訪問�(nèi)存的次數(shù),從而提高了CPU的工作速度。但�?yàn)槭艿叫酒娣e和集成度所�,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�。專用寄存器的作用是固定的,分別寄存相應(yīng)的數(shù)�(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用�,通用寄存器的�(shù)目因微處理器而異�

物理�(jié)�(gòu)

  CPU包括�(yùn)算邏輯部�、寄存器部件和控制部件等�
  邏輯部件
  英文Logiccomponents;運(yùn)算邏輯部�??梢�?zhí)行定�(diǎn)或浮�(diǎn)算術(shù)�(yùn)算操�、移位操作以及邏輯操�,也可執(zhí)行地址�(yùn)算和�(zhuǎn)��
  更細(xì)一�(diǎn),從�(shí)�(xiàn)的功能方面看,CPU大致可分為如下八�(gè)邏輯單元�
  �1)指令寄存器:它是芯片上的指令倉庫,有了它CPU就不必停下來查找�(jì)算機(jī)�(nèi)存中的指�,從而大幅提高了CPU的運(yùn)算速度�
 ?�?)指令譯碼器:它�(fù)�(zé)將復(fù)雜的�(jī)器語言指令解譯成運(yùn)算邏輯單元(ALU)和寄存器能夠理解的簡單格式,就像一位外交官�
 ?�?)控制單元:既然指令可以存入CPU,而且有相�(yīng)指令來完成運(yùn)算前的準(zhǔn)備工�,背后自然有一�(gè)扮演推動(dòng)作用的角色——它便是�(fù)�(zé)整�(gè)處理過程的操作控制器。根�(jù)來自譯碼單元的指�,它�(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)�、對(duì)什么�(jìn)行運(yùn)算以及對(duì)�(jié)果�(jìn)行怎樣的處理�
 ?�?)寄存器:它�(duì)于CPU來說非常的重要,除了存放程序的部分指�,它還負(fù)�(zé)存儲(chǔ)指針跳轉(zhuǎn)信息以及循環(huán)操作命令,是�(yùn)算邏輯單元(ALU)為完成控制單元�(qǐng)求的任務(wù)所使用的數(shù)�(jù)的小型存�(chǔ)區(qū)�,其�(shù)�(jù)來源可以是高速緩�、內(nèi)�、控制單元中的任何一�(gè)�
  �5)邏輯運(yùn)算單元(ALU):它是CPU芯片的智能部�,能夠執(zhí)行加、減、乘、除等各種命�。此�,它還知道如何讀取邏輯命�,如�、與、非。來自控制單元的訊息將告訴運(yùn)算邏輯單元應(yīng)該做些什�,然后運(yùn)算單元會(huì)從寄存器中間斷或連續(xù)提取�(shù)�(jù),完成最終的任務(wù)�
  �6)預(yù)取單元:PU效能�(fā)揮對(duì)其依賴非常明顯,�(yù)取命中率的高低直接關(guān)系到CPU核心利用率的高低,�(jìn)而帶來指令執(zhí)行速度上的不同。根�(jù)命令或要�(zhí)行任�(wù)所提出的要�,何�(shí)�(shí)�,預(yù)取單元都有可能從指令高速緩存或�(jì)算機(jī)�(nèi)存中獲取�(shù)�(jù)和指令。當(dāng)指令到達(dá)�(shí),預(yù)取單元最重要的任�(wù)就是確保所有指令均排列正確,然后發(fā)送給譯碼單元�
 ?�?)總線單元:它就像一條高速公�,快速完成各�(gè)單元間的�(shù)�(jù)交換,也是數(shù)�(jù)從內(nèi)存流�(jìn)和流出CPU的地��
 ?�?)數(shù)�(jù)高速緩存:存儲(chǔ)來自譯碼單元專門�(biāo)記的�(shù)�(jù),以備邏輯運(yùn)算單元使�,同�(shí)還準(zhǔn)備了分配到計(jì)算機(jī)不同部分的最終結(jié)��
  寄存�
  寄存器部�,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)�(shù)和浮�(diǎn)�(shù)兩類,它們用來保存指令執(zhí)行過程中臨時(shí)存放的寄存器操作�(shù)和中間(或最終)的操作結(jié)�。通用寄存器是中央處理器的重要部件之一�
  控制�
  英文Controlunit;控制部�,主要是�(fù)�(zé)�(duì)指令譯碼,并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各�(gè)操作的控制信�(hào)�
  其結(jié)�(gòu)有兩種:一種是以微存儲(chǔ)為核心的微程序控制方�;一種是以邏輯硬布線�(jié)�(gòu)為主的控制方式�
  微存�(chǔ)中保持微�,每一�(gè)微碼�(duì)�(yīng)于一�(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�(gòu)成微程序。中央處理器在對(duì)指令譯碼以后,即�(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�(gè)微操�,即可完成某條指令的�(zhí)��
  簡單指令是由�3�5)�(gè)微操作組成,�(fù)雜指令則要由幾十�(gè)微操作甚至幾百�(gè)微操作組��

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