计算机底层：CPU结构与组成原理、工作原理

CPU：中央处理器（CPU，英语：Central Processing Unit / Processor），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

这是CPU的大致组成，易于理解。

解释：

ALU：这是逻辑运算单元，用于计算。如，加减乘除，位移操作，按位逻辑运算。

Registers：这是寄存器可用来暂存指令、数据和地址。其中地址反面：可以存放任何类型的地址，包括内存地址、I/O地址、中断向量地址等。

PC：这是程序计数器，程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。当执行一条指令时，首先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中（就是寄存器），此过程称为"取指令"。与此同时，PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令，执行指令。完成第一条指令的执行，而后根据PC取出第二条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。

就是下一条指令的地址。

cache：这是高速缓冲存储器，位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。

区别寄存器和高速缓冲器：

1、寄存器：

寄存器是CPU内部的高速存储单元，主要用于存放程序运行过程中所使用的各种数据，寄存器的容量最小，但存取速度最高。

2、高速缓冲存储器：

简称高速缓存Cache，其存取速度与CPU速度相当，非常快，但成本高且容量较小（一般为几KB到几百KB），主要用来存放使用频率较高的少量信息。

高速缓存可以保存数据副本，访问高速缓存要比访问内存中的原始数据效率更高，速度更快。

扩展：CPU从内存拿东西，拿到的东西会先到高速缓冲器，然后再到寄存器。

CU和MMU暂时不做太多解释，会另外启一篇文章。

MMU（内存管理单元）是一种硬件设备，用于将虚拟地址映射到物理地址，以实现虚拟内存管理。它可以提供内存保护、内存分配和内存映射等功能，以确保系统的安全性和可靠性。

CU（控制单元）是一种硬件设备，用于控制CPU的指令流程，以及指令的执行和数据的传输。以确保系统的正确运行。

下面不会提到这两个

总地来说，其实cpu分会三个单位:控制单元、数据单元、逻辑运算单元。

并且每个单元其实是由寄存器构成地。

CPU各个模块的由来：

首先，需要从语言开始，正常人很少会手语，这是因为我们有自己的语言，并且我们没有去学手语，那么手语是怎么来的呢？手语其实是一个一个动作产生来表达自己想法，而这些动作的规定了什么动作是什么意思，这才组成了手语。

同样，我们如果用灯泡来规定一种语言，可以规定打开或者关闭的意思，也可以规定打开几次或者关闭几次的意思，还可以规定通过间隔时间进行开关的意思。一系列的意思的组成就形成了一种语言，也就是灯泡语言。

到后来，出现了二进制。

再后来，通过电路的电路的开关，或是灯泡的开关，确定了0和1。

我们可以通过各种方式，确定灯泡的开关，可以是打开，然后灯泡亮，也可以是关闭，灯泡亮。也就是输入1可以输出1或者0，输入0可以输出1或者0。

之后，发明出了，与门、或门、异或门、与非门、或非门，可以理解为C语言的按位与、按位或、按位疑惑，就是输入两个数，输出不同的结果。就相当于两个开关控制一个灯泡。

通过各种门的结合就发明出了加法器：

但是一个加法器只能算出一位，这种叫做半加器：

如果要算多位，只需要把他们串联起来就行了。此时就叫做全加器。

有了加法器，就可以得到加减乘除等等的运算，因为这些运算，都可以从+法中得到。

然后这些不同的运算结合后就得到了上面说的ALU

然后出现了时钟电路，当通电后，线圈产生磁场把开关b拿下来，然后电就不通了，b又回去了，又通了。。。。

为什么需要这个时钟电路呢，因为程序在运算时，是需要同步的，但是如果一直通着电，程序就会停在那里，或者某个单元提前做事，或者没做，比如运算逻辑单元提前运算，如果3+5，如果运算单元先动了，而寄存器才把数据传到一半，或压根没传，那么就由可能算出错误答案，需要由时间才能分先后，最后才能得到8

再到后来出现了锁存器，这个东西输入什么就输出什么：

但是锁存器只有一位，那么8个锁存器就可以有8位，1024个锁存器就可以有1k，有了1k就可以有1G和1T，那么这是什么？这其实就是存储器。内存、寄存器。。。

有了存储器，我们就可以把数据放到内部，也开关吧地址放到内部，当程序执行的时候就会通过地址，找到数据。

有了这些，就出现了registers和pc以及cache

当程序执行时，通过地址找到数据，通过数字信号执行表达式，再通过pc找到下一行代码，然后再由时钟信号改变控制端，执行下一行代码，由此实现了程序的自动化。

数据从内存到CPU是通过总线传输的。

但是底层任何数据或是地址都是由0和1组成的。

那么从内存到cpu的时候怎么知道是地址还是数据呢？

其实总线分为三条：

1.控制线

CPU从控制线读过来的是 指令（加减法之类的操作符）

2.地址线

CPU从地址线读过来的是地址

3.数据线

CPU从数据线读过来的是数据

一个程序的执行：首先把可执行文件存放在内存，再从main的起始地址，读出指令和地址，然后传入cpu，把进行运算后的结果返回内存。

CPU指令的执行流程

一、取指令阶段
取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增。

二、指令译码阶段
取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

三、执行指令阶段
在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

四、访存取数阶段
根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

五、结果写回阶段
作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。

结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；

在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

CPU内部细分与计算机工作过程（执行程序时，CPU与内存之间数据详细交替过程）:

计算机底层：计算机工作过程_srhqwe的博客-CSDN博客

计算机底层：CPU结构与组成原理、工作原理相关推荐

单片机中存储器扩展位地址线怎么算_51单片机CPU结构各部件的原理详细分析
一. 51单片机串行口工作原理 MCS-51系列单片机片内有一个串行I/O端口,通过引脚RXD(P3．0)和TXD(P3．1)可与外设电路进行全双工的串行异步通信. 1．串行端口的基本特点 8031单 ...
SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述
展开我们都知道,早期的电脑CPU是可以直接从硬盘上面读取数据进行处理的,随着科技的进步,时代的发展,计算机硬件的发展速度也是极其迅猛.CPU主频的不断提升,从单核到双核,再到多核:CPU的处理速度越 ...
BOSHIDA 电源模块 PLC的硬件结构配置与工作原理
BOSHIDA 电源模块 PLC的硬件结构配置与工作原理中.大型PLC的结构外型,它通常采用积木式结构,可以根据需要将各种标准模块进行搭接,常用的模块有电源模块.CPU模块.输入模块.输出模块以及 ...
区间比较_Simulink(离散PIDamp;区间检测模块)+AURIX功能安全板过流比较电路+电机结构应用与工作原理学习网站...
1 Simulink Simulink-离散PID&区间检测模块 a.离散PID模块离散PID模块中可以对PID类型以及相应的系数进行设置: PID模块可以选择三种不同的方式进行积分,包括前 ...
计算机系统—CPU结构和内部工作
一.计算机系统硬件组成计算机系统的基本组成由:计算器.控制器.存储器.输入和输出设备这5大核心部件组成. 运算器和控制器等继承在一起成为CPU.以下通过这张图能够非常清楚的表达计算机系统.先从全局上 ...
Part1：使用 TensorFlow 和 Keras 的 NeRF计算机图形学和深度学习——计算机图形学世界中相机的工作原理
Part1:使用 TensorFlow 和 Keras 的 NeRF计算机图形学和深度学习 1. 效果图 2. 原理 2.0 前向成像模型 2.1 世界坐标系 2.2 相机坐标系 2.3 坐标变换 2 ...
【软考学习4】计算机构成——CPU 结构、Flynn 分类法、CISC和RISC
CPU 结构.Flynn 分类法.CISC/RISC都是软考中较为常见的知识点,需要了解每种类型的特征.它们之间的区别. 一.CPU结构数学家冯·诺依曼认为,计算机应当分为以下五个部分: 运算器 ...
计算机主板时钟,主板时钟电路工作原理
主板时钟电路工作原理时钟电路工作原理: DC3.5V电源经过二极管和L1(L1可以用0Ω电阻代替)进入分频器后,分频器开始工作,和晶体一起产生振荡.在晶体的两脚均可以看到波形.晶体的两脚之间的阻值在 ...
CPU处理器架构和工作原理浅析
汇编语言是学习计算机如何工作的很好的工具,它需要我们具备计算机硬件的工作知识. 基本微机设计下图给出了假想机的基本设计.中央处理单元(CPU)是进行算术和逻辑操作的部件,包含了有限数量的存储位置-- ...

计算机底层：CPU结构与组成原理、工作原理

CPU各个模块的由来：

计算机底层：CPU结构与组成原理、工作原理相关推荐

最新文章

热门文章