我們知道CPU是中央處理器,它是控制處理中心,我們的電腦、手機等電子產(chǎn)品都離不開CPU。那么,CPU內(nèi)部到底是如何工作的呢?我們一起來看看。
當(dāng)我們在電腦旁工作的時候,電腦其實也不斷的在工作。
我們打開機箱,就會看見電腦的主板,也可以看到電風(fēng)扇而不停地在轉(zhuǎn)動,風(fēng)扇下面的是CPU,它不停地在和內(nèi)存進行數(shù)據(jù)的通訊,就像我們的大腦。
CPU是由很多很多晶體管構(gòu)成的。它主要有控制器,運算器,寄存器幾個部分,寄存器有數(shù)字寄存器,指令寄存器,指令地址寄存器。我們假設(shè)有四個數(shù)字寄存器,它們可以存放臨時的數(shù)據(jù)。右邊的是內(nèi)存,還有16個存儲位置,每個位置有8位bit。
CPU和內(nèi)存之間究竟是如何工作的呢?
當(dāng)我們啟動電腦時,所有的寄存器都從零開始。假設(shè)內(nèi)存存放了一個簡單的計算機程序,CPU操作的第一階段為“取指令”,也就是我們獲得第一個指令的過程。
首先,指定地址寄存器連到內(nèi)存,寄存器的值為零。內(nèi)存返回地址0中的值00101110。該值復(fù)制到指定寄存器中,然后由CPU開始解析該指令,以便執(zhí)行什么樣的操作。這個步驟稱它為“解碼”。
該指定前四位為操作代碼,后四位為操作代碼來自哪里?由于前四位為操作代碼0010,對應(yīng)我們的指令集,0010是讀內(nèi)存放入寄存器A中,后四位是內(nèi)存的地址1110。即十進制的數(shù)字14。
接著,用一些邏輯門電路來檢查該操作碼是否與0010匹配,輸出為1,表示匹配成功。接下來執(zhí)行該指令,也就是執(zhí)行過程。
通過邏輯門電路檢查電路輸出,打開內(nèi)存的讀取線,找到內(nèi)存1110的地址14,讀取該地址的值00000011,下一步把該值存儲到寄存器A中,我們通過數(shù)據(jù)線連接到4個數(shù)字寄存器,CPU通過指令開啟數(shù)據(jù)寄存器A允許寫入。該數(shù)據(jù)被寫入到寄存器A中,我們已完成了該指令。
現(xiàn)在關(guān)掉所有的線,準(zhǔn)備從內(nèi)存中讀取下一條指令。指令地址增加1,內(nèi)存返回地址1的值00011111。復(fù)制到指令寄存器。再到解碼的過程,通過指定集,指定前四位0001,它表示讀內(nèi)存存儲到寄存器B中,這次內(nèi)存地址是1111,對應(yīng)十進制尾數(shù)為15,到執(zhí)行的過程,開啟內(nèi)存讀取線,找到內(nèi)存15地址,讀取該地址的值。并通過數(shù)據(jù)線把該值00001110存儲到寄存器B中,最后將指定地址寄存器增加1,關(guān)閉所有的線。
現(xiàn)在內(nèi)存返回地址2的值10000100放入指令寄存器CPU從指定集開始解碼,操作碼1000是加法指令。添加兩個寄存器存儲到第二個存儲器中,該指定有兩種,前兩位01對應(yīng)的寄存器B,后兩位00對應(yīng)寄存器A,因此10000100是指寄存器B中的值添加到寄存器A中。
將寄存器A、B連接到運算器的輸入端,運算器執(zhí)行加法運算,關(guān)閉運算器輸出的結(jié)果保存在寄存器A中。00010001就是輸入的值是3和14兩個值的和等于17,接下來指定地址增加1,完成這個過程,找到內(nèi)存地址3的值。
我們打開指令集開始解碼,0100表示讀A寄存器到內(nèi)存,1101對應(yīng)內(nèi)存地址是13,然后將寄存器A的值,通過數(shù)據(jù)線送到內(nèi)存13的地址上。
我們剛剛運行的計算機的程序,它從內(nèi)存中加載兩個值相加,然后把結(jié)果放入內(nèi)存,也就是CPU的取指令、解碼、執(zhí)行過程。我們電腦的系統(tǒng)是要很多很多的小程序組成,CPU也就不斷的在循環(huán)這個過程。每個CPU執(zhí)行這個過程的速度不一樣,這個速度是由CPU主頻即CPU工作頻率決定,它決定著CPU的快慢。
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