CPU结构

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）的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。

图1 CPU主要结构

CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由CPU内部总线连接起来。如图2所示。

图2 CPU结构

CPU工作原理

在冯·诺依曼结构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。根据冯·诺依曼结构，CPU的工作分为以下 5 个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。
取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值，用来指示当前指令在主存储器中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度自动递增。
指令译码（ID，instruction decode），取出指令后，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。
执行指令（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。
访问存取数（MEM，memory），根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存储器中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存储器，则可以跳过该阶段。
结果写回（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回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。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；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，计算机就从程序计数器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。

图3 CPU工作原理

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