處理器結構

處理器一般指中央處理器，中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規模的集成電路，是一台計算機的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。

大多數現代電路設計都是用信號線上的高電壓和低電壓來表示不同的位值。

要實現一個數字系統需要三個主要的組成部分：

（1）計算對位進行操作的函數的組合邏輯（ALU）；

（2）存儲位的存儲器元素（寄存器）；

（3）控制存儲器元素更新的時鐘信號。

CPU的根本任務就是執行指令，對計算機來説最終都是一串由“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內部總線連接起來。如下所示 ^[1]  ：

控制單元是整個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，對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據用户預先編好的程序，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)確定應該進行什麼操作，然後通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈衝發生器、控制矩陣、時鐘脈衝發生器、復位電路和啓停電路等控制邏輯。

是運算器的核心。可以執行算術運算(包括加減乘數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行動作，即運算單元所進行的全部操作都是由控制單元發出的控制信號來指揮的，所以它是執行部件。

包括CPU片內緩存和寄存器組，是CPU中暫時存放數據的地方，裏面保存着那些等待處理的數據，或已經處理過的數據，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。採用寄存器，可以減少CPU訪問內存的次數，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，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛並可由程序員規定其用途，通用寄存器的數目因微處理器而異。這個是我們以後要介紹這個重點，這裏先提一下。

我們將上圖細化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：

總的來説，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操作碼的規定，對數據進行運算處理，直到程序執行完畢為止。

更細一點，從實現的功能方面看，CPU大致可分為如下八個邏輯單元：

（1）指令寄存器 ：它是芯片上的指令倉庫，有了它CPU就不必停下來查找計算機內存中的指令，從而大幅提高了CPU的運算速度。

（2）指令譯碼器 ：它負責將複雜的機器語言指令解譯成運算邏輯單元（ALU）和寄存器能夠理解的簡單格式，就像一位外交官。

（3）控制單元 ：既然指令可以存入CPU，而且有相應指令來完成運算前的準備工作，背後自然有一個扮演推動作用的角色——它便是負責整個處理過程的操作控制器。根據來自譯碼單元的指令，它會生成控制信號，告訴運算邏輯單元（ALU）和寄存器如何運算、對什麼進行運算以及對結果進行怎樣的處理。

（4）寄存器 ：它對於CPU來説非常的重要，除了存放程序的部分指令，它還負責存儲指針跳轉信息以及循環操作命令，是運算邏輯單元（ALU）為完成控制單元請求的任務所使用的數據的小型存儲區域，其數據來源可以是高速緩存、內存、控制單元中的任何一個。

（5）邏輯運算單元（ALU） ：它是CPU芯片的智能部件，能夠執行加、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。來自控制單元的訊息將告訴運算邏輯單元應該做些什麼，然後運算單元會從寄存器中間斷或連續提取數據，完成最終的任務。

（6）預取單元 ：PU效能發揮對其依賴非常明顯，預取命中率的高低直接關係到CPU核心利用率的高低，進而帶來指令執行速度上的不同。根據命令或要執行任務所提出的要求，何時時候，預取單元都有可能從指令高速緩存或計算機內存中獲取數據和指令。當指令到達時，預取單元最重要的任務就是確保所有指令均排列正確，然後發送給譯碼單元。

（7）總線單元 ：它就像一條高速公路，快速完成各個單元間的數據交換，也是數據從內存流進和流出CPU的地方。

（8）數據高速緩存 ：存儲來自譯碼單元專門標記的數據，以備邏輯運算單元使用，同時還準備了分配到計算機不同部分的最終結果。

通過以上介紹可以看出CPU雖小，方寸之地卻能容納大世界，內部更像一個發達的裝配工廠，環環相扣，層層相套。正因為有了相互間的協作配合，才使得指令最終得以執行，才構成了圖文並茂、影像結合的神奇數字世界 ^[2]  。