我来讲述计算机知识的科普文,计算机科普文:CPU的工作过程和组成

记得大学时的导师和讲过：把生活和计算机联系起来，会发现有很多共性；计算机抽象于生活,代码思维恰如人生哲学。

参考：

计算机中CPU扮演的角色

本文是一次关于计算机底层的的梳理。

官话

CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。

从整体来看

计算机就像是个大领导，有条不稳的调度着各种资源，而且很高效，让手下的线程或者进程做事情，但是他只能同时处理一件事情，又不能让其他线程等待很久，所以在和不同的人打交道时，会记着上一次说了什么，下一次继续，这叫保护现场。而每次让线程处理事情的时间叫时间片。

拆分来看

为了完成CPU的角色定位，CPU内部需要什么东西呢？为什么CPU可以完成这些任务？

CPU主要组成部分分为：控制器、运算器、以及后来的高速缓存、浮点处理器；

CPU主要组成部分逻辑结构图:

控制器

无论是单个计算机还是实际的团队，上至国家，下至个人，控制都是整个系统的核心。

嘀嗒嘀嗒嘀嗒 -> 高电压、低电压、高电压、低电压 -> 101010，计算机只能识别这中机械码，别把人类的情感带入其中。

计算机控制指令执行，正是依靠着时序发生器来进行的。

自然界有个神奇的东西，叫石英，学名二氧化硅SiO2。

石英的晶振是固定的，很有规律，我们最常见的可能是石英钟，原理就是这样。

在计算机中，也用了这个东西，只不过更复杂一些。

时序发生器用于信号同步，集体指挥，像个领导一样。

CPU的控制器由以及及部分组成：

程序计数器：下一条指令我该去哪里取，它负责记录

指令寄存器：当前的指令在哪？它存着

指令译码器：根据人类定义的一个二进制表，去查表然后根据表中的内容进行指令翻译。

时序发生器：嘀嗒嘀嗒负责指令执行，这个里边的电路其实还蛮复杂的

操作控制器：和时序发生器配合使用

其主要功能包括：

从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置；

对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；

指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

运算器

核心就是我们常挂在嘴边的ALU。加减乘除等操作都是在这里完成，是个数据加工车间。

运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器(AC)、数据寄存器(DR)和程序状态字寄存器(PSW)组成。

它有两个主要功能：

执行所有的算术运算；

执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。

累加寄存器：为算术逻辑单元(ALU)提供一个存放临时值得地方

数据寄存器：CPU嫌弃内存速度慢，作为一个数据或指令的中转站

程序状态字寄存器：保存各种状态条件标志的寄存器，比如：运算结果溢出标志、进位、借位

高速缓存

CPU觉得内存太慢了，自己搞了一块缓冲区

CPU的频率是 GHz为单位，其速度小于1 ns 【纳秒】

内存的速度是100 ns。

二者最少相差百倍，于是乎，CPU嫌弃内存，说你太慢，自己搞了一款比较小的缓存，大概几M吧，用户缓存常用数据。

小结

CPU中有很多寄存器，比如控制器中的：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器等以及运算器中的累加寄存器、数据寄存器、程序状态字寄存器等。

那么CPU中一共有多少寄存器呢？

8086处理器:

ARM7处理器:

在CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。

这些寄存器用来暂存一个计算机字，其数目可以根据需要进行扩充。

若要了解更多寄存器的知识：CPU体系架构-寄存器

篇幅过长不易理解，下次聊聊CPU和内存的故事。

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