中央處理器的物理結構

1、邏輯部件

英文Logic components；運算(suan)邏輯(ji)部件。可以執行定(ding)點(dian)或浮點(dian)算(suan)術運算(suan)操作(zuo)、移(yi)位(wei)操作(zuo)以及(ji)邏輯(ji)操作(zuo)，也可執行地址運算(suan)和轉換。

2、寄存器

寄存(cun)器(qi)(qi)部(bu)件，包括寄存(cun)器(qi)(qi)、專用(yong)寄存(cun)器(qi)(qi)和(he)控制寄存(cun)器(qi)(qi)。 通用寄存器(qi)又可分定點(dian)數和浮點(dian)數兩(liang)類，它(ta)們用來保存指令執行過程中(zhong)臨時存放的寄存器(qi)操(cao)作(zuo)數和中(zhong)間(jian)（或最終）的操(cao)作(zuo)結果。 通用(yong)寄存(cun)器是中央(yang)處理器的(de)重(zhong)要部件之一(yi)。

3、控制部件

英文Control unit，控制部件(jian)，主要是(shi)負責對指(zhi)令譯碼，并且(qie)發出(chu)為(wei)完成(cheng)每條指(zhi)令所要執行(xing)的各個(ge)操作(zuo)的控制信號。

其結構(gou)有兩種(zhong)，一種(zhong)是(shi)以微(wei)存儲為核心(xin)的微(wei)程序控制(zhi)方(fang)式；一種(zhong)是(shi)以邏(luo)輯硬(ying)布線結構(gou)為主的控制(zhi)方(fang)式。

微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)存儲中保(bao)持微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)，每一(yi)(yi)個(ge)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)對應于一(yi)(yi)個(ge)最基本的微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)操作(zuo)(zuo)，又稱微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)指(zhi)令(ling)；各(ge)條(tiao)指(zhi)令(ling)是(shi)由(you)不(bu)同序(xu)列的微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)組(zu)成(cheng)，這(zhe)(zhe)種微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)序(xu)列構成(cheng)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)程序(xu)。中央(yang)處理器在對指(zhi)令(ling)譯碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)以后，即發(fa)出一(yi)(yi)定(ding)時序(xu)的控(kong)制信(xin)號，按給(gei)定(ding)序(xu)列的順序(xu)以微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)周(zhou)期為節拍執(zhi)行由(you)這(zhe)(zhe)些微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)確定(ding)的若干個(ge)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)操作(zuo)(zuo)，即可完(wan)成(cheng)某條(tiao)指(zhi)令(ling)的執(zhi)行。

簡(jian)單指令是由（3～5）個微操作組成(cheng)(cheng)，復雜指令則要由幾十個微操作甚(shen)至幾百個微操作組成(cheng)(cheng)。

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中央處理器的作用

CPU從存儲器或(huo)高速(su)緩沖(chong)存儲器中(zhong)取出指(zhi)(zhi)令，放入指(zhi)(zhi)令寄存器，并對指(zhi)(zhi)令譯碼(ma)。它把指(zhi)(zhi)令分解成(cheng)一(yi)系列的(de)微操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)，然(ran)后(hou)發(fa)出各種控制命令，執行微操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)系列，從而完成(cheng)一(yi)條(tiao)指(zhi)(zhi)令的(de)執行。指(zhi)(zhi)令是計算機(ji)規定執行操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)的(de)類型和(he)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數的(de)基本命令。指(zhi)(zhi)令是由(you)一(yi)個(ge)字(zi)(zi)節或(huo)者多個(ge)字(zi)(zi)節組成(cheng)，其中(zhong)包括操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)碼(ma)字(zi)(zi)段(duan)、一(yi)個(ge)或(huo)多個(ge)有(you)關(guan)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數地址的(de)字(zi)(zi)段(duan)以及一(yi)些表征機(ji)器狀(zhuang)態的(de)狀(zhuang)態字(zi)(zi)以及特征碼(ma)。有(you)的(de)指(zhi)(zhi)令中(zhong)也直接包含操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)數本身。

1、提取

第一階(jie)段，提取(qu)，從存儲(chu)器(qi)或高速緩沖(chong)存儲(chu)器(qi)中檢索指令(ling)（為數(shu)(shu)值或一系列(lie)數(shu)(shu)值）。由程(cheng)序計數(shu)(shu)器(qi)（Program Counter）指定存(cun)儲器的位置(zhi)。(程(cheng)序(xu)計(ji)數(shu)(shu)器(qi)保(bao)存供識別(bie)程(cheng)序(xu)位置(zhi)的數(shu)(shu)值。換言之，程(cheng)序(xu)計(ji)數(shu)(shu)器(qi)記錄了CPU在程序里的蹤跡。)

2、解碼

CPU根據存儲(chu)器提取到的指(zhi)令(ling)來決定其執(zhi)行行為。在(zai)解碼階(jie)段，指(zhi)令(ling)被拆解為有意義的片(pian)段。根據CPU的(de)指令集架構(gou)（ISA）定義將數(shu)值解譯(yi)為指(zhi)令。一部分的指(zhi)令數(shu)值為運算碼（Opcode），其(qi)指示要(yao)進行哪(na)些運算。其(qi)它的數值通常供給指令必(bi)要(yao)的信息，諸(zhu)如一個加法（Addition）運算的運算目標(biao)。

3、執行

在(zai)提取和解碼(ma)階段之后，緊接著(zhu)進入執行階段。該階段中，連接到各種(zhong)能夠(gou)進行所(suo)需運(yun)算的(de)CPU部件(jian)。

例如，要求一(yi)個加(jia)法運算，算術邏輯單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）將(jiang)會(hui)連接到一組輸(shu)入和一組輸(shu)出(chu)(chu)。輸(shu)入提供了要相(xiang)加的數值，而輸(shu)出(chu)(chu)將(jiang)含有總和的結果。ALU內含(han)電路系(xi)統，易于輸(shu)出(chu)端完成簡(jian)單的普通運(yun)(yun)(yun)算和邏(luo)輯(ji)運(yun)(yun)(yun)算（比如(ru)加法和位元(yuan)運(yun)(yun)(yun)算）。如(ru)果加法運(yun)(yun)(yun)算產(chan)生一個對該CPU處理而言過大的結果，在標志暫存器里可能會設(she)置運(yun)算(suan)溢出（Arithmetic Overflow）標志。

4、寫回

最終階段，寫回，以一(yi)定格式將執行階段的結果(guo)簡(jian)單的寫回。運(yun)算結果(guo)經常(chang)被寫進CPU內部的(de)暫存器(qi)，以供(gong)隨后指令(ling)快速(su)存取(qu)。在其它案(an)例(li)中(zhong)，運算結果可能(neng)寫進速(su)度較慢，但(dan)容(rong)量較大且較便(bian)宜的(de)主(zhu)記憶體中(zhong)。某(mou)些類型(xing)的(de)指令(ling)會(hui)操(cao)作程序計數器(qi)，而不直接(jie)產(chan)生結果。這些一般稱作“跳轉”（Jumps），并在(zai)程(cheng)式(shi)中帶來循環行(xing)為(wei)、條件(jian)性執(zhi)行(xing)（透過條件(jian)跳轉）和函式(shi)。許(xu)多指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)會改變標(biao)志(zhi)暫存器(qi)的(de)狀態(tai)位元(yuan)。這(zhe)些(xie)標(biao)志(zhi)可用(yong)來影(ying)響程(cheng)式(shi)行(xing)為(wei)，緣由于它們時常顯出(chu)各(ge)種運算結果。例(li)如，以一(yi)個(ge)“比(bi)較”指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)判斷兩個(ge)值(zhi)大小(xiao)，根據比(bi)較結果在(zai)標(biao)志(zhi)暫存器(qi)上(shang)設置一(yi)個(ge)數值(zhi)。這(zhe)個(ge)標(biao)志(zhi)可藉由隨后跳轉指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)來決定(ding)程(cheng)式(shi)動向。在(zai)執(zhi)行(xing)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)并寫回結果之后，程(cheng)序計數器(qi)值(zhi)會遞增(zeng)，反覆整個(ge)過程(cheng)，下一(yi)個(ge)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)周期正常的(de)提取下一(yi)個(ge)順(shun)序指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)。