中央處理器

　　物理結(jié)構(gòu)

　　CPU包括運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

　　邏輯部件

　　英文Logic components；運(yùn)算邏輯部件，可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換。

　　寄存器

　　寄存器部件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。

　　通用寄存器又可分定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩類，它們用來保存指令執(zhí)行過程中臨時(shí)存放的寄存器操作數(shù)和中間（或最終）的操作結(jié)果。

　　通用寄存器是中央處理器的重要組成部分，大多數(shù)指令都要訪問到通用寄存器。通用寄存器的寬度決定計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路寬度，其端口數(shù)目往往可影響內(nèi)部操作的并行性。

　　專用寄存器是為了執(zhí)行一些特殊操作所需用的寄存器。

　　控制寄存器（CR0～CR3）用于控制和確定處理器的操作模式以及當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的特性。CR0中含有控制處理器操作模式和狀態(tài)的系統(tǒng)控制標(biāo)志；CR1保留不用；CR2含有導(dǎo)致頁錯(cuò)誤的線性地址；CR3中含有頁目錄表物理內(nèi)存基地址，因此該寄存器也被稱為頁目錄基地址寄存器PDBR（Page-Directory Base address Register）。

　　控制部件

　　英文Control unit；控制部件，主要是負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)。

　　其結(jié)構(gòu)有兩種：一種是以微存儲(chǔ)為核心的微程序控制方式；一種是以邏輯硬布線結(jié)構(gòu)為主的控制方式。

　　微存儲(chǔ)中保持微碼，每一個(gè)微碼對(duì)應(yīng)于一個(gè)最基本的微操作，又稱微指令；各條指令是由不同序列的微碼組成，這種微碼序列構(gòu)成微程序。中央處理器在對(duì)指令譯碼以后，即發(fā)出一定時(shí)序的控制信號(hào)，按給定序列的順序以微周期為節(jié)拍執(zhí)行由這些微碼確定的若干個(gè)微操作，即可完成某條指令的執(zhí)行。

　　簡(jiǎn)單指令是由（3～5）個(gè)微操作組成，復(fù)雜指令則要由幾十個(gè)微操作甚至幾百個(gè)微操作組成。

　　主要功能

　　處理指令

　　英文Processing instructions；這是指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴(yán)格順序的，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的正確性。

　　執(zhí)行操作

　　英文Perform an action；一條指令的功能往往是由計(jì)算機(jī)中的部件執(zhí)行一序列的操作來實(shí)現(xiàn)的。CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，發(fā)給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。

　　控制時(shí)間

　　英文Control time；時(shí)間控制就是對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)。在一條指令的執(zhí)行過程中，在什么時(shí)間做什么操作均應(yīng)受到嚴(yán)格的控制。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。

　　處理數(shù)據(jù)

　　即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，或進(jìn)行其他的信息處理。

　　其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)， 并執(zhí)行指令。在微型計(jì)算機(jī)中又稱微處理器，計(jì)算機(jī)的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指標(biāo)直接決定了微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。CPU具有以下4個(gè)方面的基本功能：數(shù)據(jù)通信，資源共享，分布式處理，提供系統(tǒng)可靠性。運(yùn)作原理可基本分為四個(gè)階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫回（Writeback）。

　　工作過程

　　CPU從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中取出指令，放入指令寄存器，并對(duì)指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作系列，從而完成一條指令的執(zhí)行。指令是計(jì)算機(jī)規(guī)定執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)的基本命令。指令是由一個(gè)字節(jié)或者多個(gè)字節(jié)組成，其中包括操作碼字段、一個(gè)或多個(gè)有關(guān)操作數(shù)地址的字段以及一些表征機(jī)器狀態(tài)的狀態(tài)字以及特征碼。有的指令中也直接包含操作數(shù)本身。

　　提取

　　第一階段，提取，從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中檢索指令（為數(shù)值或一系列數(shù)值）。由程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）指定存儲(chǔ)器的位置。(程序計(jì)數(shù)器保存供識(shí)別程序位置的數(shù)值。換言之，程序計(jì)數(shù)器記錄了CPU在程序里的蹤跡。)

　　解碼

　　CPU根據(jù)存儲(chǔ)器提取到的指令來決定其執(zhí)行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片斷。根據(jù)CPU的指令集架構(gòu)（ISA）定義將數(shù)值解譯為指令。一部分的指令數(shù)值為運(yùn)算碼（Opcode），其指示要進(jìn)行哪些運(yùn)算。其它的數(shù)值通常供給指令必要的信息，諸如一個(gè)加法（Addition）運(yùn)算的運(yùn)算目標(biāo)。

　　執(zhí)行

　　在提取和解碼階段之后，緊接著進(jìn)入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進(jìn)行所需運(yùn)算的CPU部件。

　　例如，要求一個(gè)加法運(yùn)算，算術(shù)邏輯單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）將會(huì)連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而輸出將含有總和的結(jié)果。ALU內(nèi)含電路系統(tǒng)，易于輸出端完成簡(jiǎn)單的普通運(yùn)算和邏輯運(yùn)算（比如加法和位元運(yùn)算）。如果加法運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)對(duì)該CPU處理而言過大的結(jié)果，在標(biāo)志暫存器里可能會(huì)設(shè)置運(yùn)算溢出（Arithmetic Overflow）標(biāo)志。

　　寫回

　　最終階段，寫回，以一定格式將執(zhí)行階段的結(jié)果簡(jiǎn)單的寫回。運(yùn)算結(jié)果經(jīng)常被寫進(jìn)CPU內(nèi)部的暫存器，以供隨后指令快速存取。在其它案例中，運(yùn)算結(jié)果可能寫進(jìn)速度較慢，但容量較大且較便宜的主記憶體中。某些類型的指令會(huì)操作程序計(jì)數(shù)器，而不直接產(chǎn)生結(jié)果。這些一般稱作“跳轉(zhuǎn)”（Jumps），并在程式中帶來循環(huán)行為、條件性執(zhí)行（透過條件跳轉(zhuǎn)）和函式。許多指令會(huì)改變標(biāo)志暫存器的狀態(tài)位元。這些標(biāo)志可用來影響程式行為，緣由于它們時(shí)常顯出各種運(yùn)算結(jié)果。例如，以一個(gè)“比較”指令判斷兩個(gè)值大小，根據(jù)比較結(jié)果在標(biāo)志暫存器上設(shè)置一個(gè)數(shù)值。這個(gè)標(biāo)志可藉由隨后跳轉(zhuǎn)指令來決定程式動(dòng)向。在執(zhí)行指令并寫回結(jié)果之后，程序計(jì)數(shù)器值會(huì)遞增，反覆整個(gè)過程，下一個(gè)指令周期正常的提取下一個(gè)順序指令。