中央處理器的物理結構

1、邏輯部件

英(ying)文(wen)Logic components；運(yun)算邏(luo)輯部件。可以(yi)執行(xing)(xing)定點或浮點算術運(yun)算操(cao)作、移位操(cao)作以(yi)及邏(luo)輯操(cao)作，也可執行(xing)(xing)地址(zhi)運(yun)算和轉換(huan)。

2、寄存器

寄(ji)存(cun)器(qi)部(bu)件，包括寄(ji)存(cun)器(qi)、專用寄(ji)存(cun)器(qi)和控制寄(ji)存(cun)器(qi)。 通用寄存器(qi)又可分定點數(shu)(shu)和浮(fu)點數(shu)(shu)兩類，它們用來保(bao)存指令執行過程(cheng)中臨時存放的寄存器(qi)操(cao)(cao)作數(shu)(shu)和中間（或最(zui)終）的操(cao)(cao)作結果。 通用寄存器(qi)是(shi)中央處(chu)理器(qi)的(de)重要部(bu)件之一。

3、控制部件

英文Control unit，控制(zhi)部件，主要是負責對指令譯碼，并(bing)且發出(chu)為完成每條指令所要執行(xing)的各個操(cao)作的控制(zhi)信(xin)號(hao)。

其結(jie)(jie)構有兩種，一(yi)種是(shi)以微存儲(chu)為(wei)核心的微程序(xu)控(kong)制方(fang)式(shi)；一(yi)種是(shi)以邏輯硬(ying)布線結(jie)(jie)構為(wei)主的控(kong)制方(fang)式(shi)。

微(wei)(wei)(wei)(wei)存(cun)儲(chu)中(zhong)保持微(wei)(wei)(wei)(wei)碼，每一(yi)(yi)個(ge)(ge)微(wei)(wei)(wei)(wei)碼對應于一(yi)(yi)個(ge)(ge)最基(ji)本的(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)操(cao)作(zuo)，又(you)稱微(wei)(wei)(wei)(wei)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)；各(ge)條指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)是由不同序列(lie)的(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)碼組成，這種微(wei)(wei)(wei)(wei)碼序列(lie)構成微(wei)(wei)(wei)(wei)程序。中(zhong)央處理器在(zai)對指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)譯碼以后，即(ji)發出一(yi)(yi)定(ding)時序的(de)控(kong)制信號，按給定(ding)序列(lie)的(de)順序以微(wei)(wei)(wei)(wei)周期為(wei)節拍執(zhi)(zhi)行(xing)由這些微(wei)(wei)(wei)(wei)碼確定(ding)的(de)若干個(ge)(ge)微(wei)(wei)(wei)(wei)操(cao)作(zuo)，即(ji)可(ke)完成某條指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)的(de)執(zhi)(zhi)行(xing)。

簡(jian)單(dan)指令(ling)是(shi)由（3～5）個(ge)微操作組(zu)成(cheng)，復雜指令則要由(you)幾十個(ge)微操作甚至幾百個(ge)微操作組(zu)成(cheng)。

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中央處理器的作用

CPU從存儲(chu)器(qi)(qi)或(huo)高速緩沖(chong)存儲(chu)器(qi)(qi)中(zhong)取出(chu)指(zhi)(zhi)令(ling)，放(fang)入指(zhi)(zhi)令(ling)寄存器(qi)(qi)，并對指(zhi)(zhi)令(ling)譯碼(ma)(ma)。它把指(zhi)(zhi)令(ling)分解(jie)成(cheng)一系(xi)(xi)列的微(wei)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)，然后發(fa)出(chu)各種控(kong)制(zhi)命令(ling)，執行微(wei)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)系(xi)(xi)列，從而完(wan)成(cheng)一條指(zhi)(zhi)令(ling)的執行。指(zhi)(zhi)令(ling)是計(ji)算機規定執行操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)的類型(xing)和操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)的基(ji)本命令(ling)。指(zhi)(zhi)令(ling)是由一個(ge)(ge)字(zi)(zi)節(jie)或(huo)者多(duo)個(ge)(ge)字(zi)(zi)節(jie)組成(cheng)，其(qi)中(zhong)包括操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)碼(ma)(ma)字(zi)(zi)段、一個(ge)(ge)或(huo)多(duo)個(ge)(ge)有關(guan)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)地址(zhi)的字(zi)(zi)段以及一些表征(zheng)機器(qi)(qi)狀(zhuang)態的狀(zhuang)態字(zi)(zi)以及特征(zheng)碼(ma)(ma)。有的指(zhi)(zhi)令(ling)中(zhong)也直(zhi)接包含(han)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數(shu)本身。

1、提取

第一階段，提取，從存(cun)儲器(qi)(qi)或高(gao)速緩沖存(cun)儲器(qi)(qi)中檢索(suo)指(zhi)令（為數值或一系列(lie)數值）。由(you)程序計(ji)數器(qi)(qi)（Program Counter）指定存(cun)儲器的位置。(程(cheng)序計數器(qi)保存供(gong)識別程(cheng)序位置的數值。換言之，程(cheng)序計數器(qi)記錄了CPU在程序里(li)的蹤(zong)跡。)

2、解碼

CPU根據(ju)存儲器(qi)提取(qu)到的指(zhi)令(ling)來(lai)決(jue)定其執行(xing)(xing)行(xing)(xing)為。在解(jie)碼階(jie)段，指(zhi)令(ling)被(bei)拆解(jie)為有(you)意義的片(pian)段。根據(ju)CPU的指令集架構（ISA）定義(yi)將數(shu)值解譯為指令(ling)。一部分的指令(ling)數(shu)值為運算碼（Opcode），其(qi)指(zhi)示要(yao)(yao)進(jin)行哪些(xie)運算。其(qi)它的數值通常供給指(zhi)令必要(yao)(yao)的信(xin)息，諸如一個加法（Addition）運算的運算目標。

3、執行

在提(ti)取和解碼階段之后，緊接著進入執行(xing)階段。該(gai)階段中，連接到各(ge)種能夠進行(xing)所需運算(suan)的CPU部件。

例(li)如，要求一個加法運(yun)算，算術邏輯(ji)單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）將會連接到一組輸(shu)入和(he)(he)一組輸(shu)出。輸(shu)入提(ti)供了要相加的數值，而輸(shu)出將含有總(zong)和(he)(he)的結果。ALU內含電路系統，易于輸(shu)出(chu)端完成簡單的普通運(yun)算和邏輯(ji)運(yun)算（比如加(jia)法和位元運(yun)算）。如果加(jia)法運(yun)算產(chan)生一個(ge)對該CPU處(chu)理(li)而言過大的(de)結果，在標志暫存器里可能會設置運算溢出（Arithmetic Overflow）標志。

4、寫回

最終階(jie)段(duan)，寫回，以一定格式(shi)將執行階(jie)段(duan)的(de)結果簡(jian)單(dan)的(de)寫回。運算結果經常被寫進(jin)CPU內部的暫存器(qi)，以供(gong)隨后(hou)指令(ling)快速(su)存取。在其它案(an)例中，運算(suan)結果可能寫進速(su)度較慢，但容量較大且較便(bian)宜的主記憶體中。某些類型的指令(ling)會操作(zuo)程序計數器(qi)，而不直(zhi)接產(chan)生(sheng)結果。這(zhe)些一般稱(cheng)作(zuo)“跳轉”（Jumps），并(bing)在(zai)(zai)程(cheng)式中帶來循環行為、條件性執(zhi)行（透過條件跳轉）和函式。許多指(zhi)令(ling)會改(gai)變標(biao)(biao)志(zhi)暫存器(qi)的(de)狀態位(wei)元。這些標(biao)(biao)志(zhi)可(ke)用來影響程(cheng)式行為，緣由(you)于它(ta)們時常顯出各種運算結(jie)果。例如，以一個(ge)(ge)(ge)(ge)“比(bi)較”指(zhi)令(ling)判斷兩個(ge)(ge)(ge)(ge)值(zhi)大小，根據(ju)比(bi)較結(jie)果在(zai)(zai)標(biao)(biao)志(zhi)暫存器(qi)上設置一個(ge)(ge)(ge)(ge)數(shu)值(zhi)。這個(ge)(ge)(ge)(ge)標(biao)(biao)志(zhi)可(ke)藉由(you)隨后(hou)跳轉指(zhi)令(ling)來決(jue)定程(cheng)式動向。在(zai)(zai)執(zhi)行指(zhi)令(ling)并(bing)寫(xie)回結(jie)果之后(hou)，程(cheng)序計(ji)數(shu)器(qi)值(zhi)會遞增(zeng)，反覆整個(ge)(ge)(ge)(ge)過程(cheng)，下一個(ge)(ge)(ge)(ge)指(zhi)令(ling)周期正常的(de)提取下一個(ge)(ge)(ge)(ge)順(shun)序指(zhi)令(ling)。