中央處理器)是計算機中核心的組件之一，負責(zé)執(zhí)行程序指令、處理數(shù)據(jù)和控制計算機的各種操作。它的工作原理可以簡要概括如下：
取指令: CPU從計算機的內(nèi)存中讀取指令。指令通常存儲在內(nèi)存中的程序段中，程序計數(shù)器(PC)示下一條要執(zhí)行的指令地址。
解碼指令: CPU對指令進行解碼，將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)部指令格式，以便于后續(xù)的操作。
執(zhí)行指令: 根據(jù)解碼后的指令，CPU執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括算術(shù)邏輯運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。這些操作可能涉及到寄存器、算術(shù)邏輯單元(ALU)等內(nèi)部組件。
訪問內(nèi)存: 在執(zhí)行指令的過程中，CPU可能需要從內(nèi)存中讀取或?qū)⒂嬎憬Y(jié)果寫回內(nèi)存。這通常涉及到地址計算、數(shù)據(jù)傳輸控制等操作。
控制流程: CPU控制程序的順序執(zhí)行，根據(jù)條件跳轉(zhuǎn)或循環(huán)來改變指令的執(zhí)行順序。這涉及到條件判斷、分支跳轉(zhuǎn)等操作。
中斷處理: CPU能夠響應(yīng)來自外部設(shè)備的中斷信號，暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。這通常用于處理實時事件、外部設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)惹闆r。
時鐘調(diào)度: CPU通過時鐘信號來同步各個內(nèi)部組件的操作，確保指令和數(shù)據(jù)的處理按照正確的頻率進行。
需要注意的是，CPU的工作是高度并行的，它可以同時執(zhí)行多個指令，利用流水線等技術(shù)實現(xiàn)指令級并行和數(shù)據(jù)級并行。此外，CPU還包含多級緩存、寄存器等用于存儲和快速訪問數(shù)據(jù)的組件，以提高處理速度。
總體來說，CPU的工作原理是通過不斷取指令、解碼指令、執(zhí)行指令和控制流程來完成計算機系統(tǒng)的各種任務(wù)，它是實現(xiàn)計算和控制功能的核心組件。
中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)是一塊由超大規(guī)模的集成電路組成的運算和控制核心，主要功能是運行指令和處理數(shù)據(jù)。現(xiàn)在CPU一般都比較小，基本上只有指甲蓋般大小。CPU從誕生到現(xiàn)在主要在兩個維度上做了很大的提升，一個是材料及工藝，另一個是設(shè)計思想。
我們先看第一個維度：材料及工藝。你可曾想過人類歷史上第一個計算機(主要就是CPU)有多大?據(jù)資料了解其大小為24.4米×2.4米，重達28噸，功耗為170kW，但是運算速度僅為每秒5000次的加法運算。人類第一個CPU之所以體積這么大，功耗這么高，是因為它使用了17840支電子管。隨著1947年貝爾實驗室的肖克利等人發(fā)明了鍺晶體管(又叫做三極管)，人們可以用體積小、功耗低、開關(guān)速度快的晶體管替換體積大、功耗高、開關(guān)慢的電子管。晶體管是20世紀的一項重大發(fā)明，為集成電路的誕生做了堅實的鋪墊。
隨著20世紀中后期，半導(dǎo)體制造技術(shù)進步，使得集成電路成為可能。相對于使用各種分立電子組件組裝電路，集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個小芯片上，這是一個巨大的進步。第一個集成電路是在1958年由杰克·基爾比完成的，它包括一個雙極性晶體管，三個電阻和一個電容器。1959年，仙童公司首先推出了采用光刻技術(shù)的平面型晶體管(如二極管、三極管、電阻和電容)，而后1961年推出了平面型集成電路。理論上只要光刻工藝不斷提升，元器件的密度也會相應(yīng)地提升。1965年時任仙童半導(dǎo)體實驗室主任的摩爾提出了摩爾定律：集成電路可容納的元器件數(shù)量，每18~24個月翻一番。
再看第二個維度：設(shè)計思想。其實，在第一個計算機誕生的時候，雖然采取了最先進的電子技術(shù)，但缺少設(shè)計思想上的指導(dǎo)，導(dǎo)致很多邏輯都是硬化在電路板上的。這會造成一旦修改程序，就要重新組裝電路板，這樣的編程效率很低。這時馮·諾依曼提出了一個至關(guān)重要的設(shè)計思路：計算機的邏輯結(jié)構(gòu)，將軟硬件分離，要求CPU順序地從存儲器中取出指令和數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算，主要的思想：
二進制：程序、數(shù)據(jù)的最終形態(tài)都是二進制編碼、存儲在存儲器中，二進制編碼也是CPU能夠識別、執(zhí)行的編碼;
指令、數(shù)據(jù)可存儲：指令序列和數(shù)據(jù)存在主(內(nèi))存儲器中，以便于CPU在工作時能夠高速地從存儲器中提取指令并加以分析和執(zhí)行;
計算機組成：確定了計算機的五個基本組成部分，運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備;
其實，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)也存在一些問題，但是人們并沒有完全拋棄這種體系結(jié)構(gòu)，而是在這一系列問題上做了改進：
指令、數(shù)據(jù)公用內(nèi)存：指令和數(shù)據(jù)都存儲在一個存儲器上，并且通過一個系統(tǒng)總線進行訪問。 當(dāng)前主存的讀寫速度是跟不上cpu運行速度的，所以為了解決這個問題，在cpu和主存增加了高速緩存，并且在L1高速緩存上，還區(qū)分了指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，并進一步提升系統(tǒng)總線的訪問速度。 另外，為了解決指令和數(shù)據(jù)共用系統(tǒng)總線帶來的速度慢的問題，又提出了哈佛架構(gòu)，將指令和數(shù)據(jù)分別存放在不同的主存上，可以并行訪問，這提高了運行速度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合外部主存的擴展，所以哈佛結(jié)構(gòu)并未得到廣泛應(yīng)用;
指令順序指令：指令只能順序，在一個pipe上運行。 為了提升指令運行速度增加了，亂序執(zhí)行、多級流水線、分支預(yù)測等功能;
在馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想指導(dǎo)下，并伴隨著芯片在摩爾定律下的制作工藝提升，現(xiàn)在的CPU越來越強大，在功能、算力不斷提升的同時，功耗、面積也在不停的減少。 得益于芯片技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在不僅有更輕便，容易攜帶的筆記本，還有各種方便攜帶的嵌入式產(chǎn)品使用，比如：智能手機、智能手表、藍牙耳機等。 可以預(yù)見，隨著技術(shù)的發(fā)展，后面將會有更豐富的產(chǎn)品出現(xiàn)，這無不彰顯了科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力。 接下來，我們重點關(guān)注當(dāng)代CPU的工作原理，通過對CPU工作原理的了解，為工作中更好地進行功能開發(fā)、性能優(yōu)化、功耗優(yōu)化做鋪墊。
在學(xué)習(xí)整個CPU的組成原理之后，大家會發(fā)現(xiàn)，最最核心的其實不是CPU本身，而是基礎(chǔ)學(xué)科物理。因為CPU最底層的門路設(shè)計，需要基于物理學(xué)的電流、電壓相關(guān)知識，如果沒有這部分理論支持，那我們永遠沒辦法發(fā)明出計算機出來。這也是任正非先生所說的，我們最需要大力發(fā)展的不是某一項技術(shù)，而是最底層的基礎(chǔ)學(xué)科。
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