# 中央处理器

# 概述

中央处理器广义上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。

早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是，这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。

# 指令

指令和指令系统是计算机中最基本的概念。指令是指示计算机执行某些操作的命令，一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。

# 中央处理器操作原理

CPU的主要运作原理，不论其外观，都是执行储存于被称为程序里的一系列指令。差不多所有的冯·诺伊曼CPU的运作原理可分为四个阶段：

• 提取

  从程序内存中检索指令（为数值或一系列数值）。由程序计数器指定程序存储器的位置，程序计数器保存供识别当前程序位置的数值。

• 解码

  CPU 根据从存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据 CPU 的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。

• 执行

  该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的 CPU 部件。

• 写回

  最终以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的寄存器，以供随后指令快速访问。

# 结构

# 控制器

在控制论中，控制器（controller）是一依据传感器信号，来调整发送至致动器的输出信号，用以改变受控体（plant）状况的装置。

• 程序计数器

  程序计数器用来存储下一条指令的地址；

  循环从计数器中拿出指令；

  当指令被拿出时，指向下一条指令；

• 时序发生器

  在电器工厂领域，用于发送时序脉冲；

  CPU 依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作；

• 指令译码器

  指令译码器是控制器的主要部件之一；

  指令译码器可以翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据；

• 各种寄存器

  • 指令寄存器

    指令寄存器也是控制器的主要部件之一，它可以从主存或高速缓存中区出计算机指令；

  • 主存地址寄存器

    保存当前 CPU 正要访问的内存单元的地址；

  • 主存数据寄存器

    保存当前 CPU 正要读或写的主存数据；

  • 通用寄存器

    用于暂时存放或传送数据或指令，也可以保存 ALU 的运算中间结构；

    通用寄存器的容量一般比专用寄存器要大；

• 总线

# 运算器

运算器是 CPU 用来进行数据运算加工的。

• 数据缓冲器

  • 输入缓冲

    暂时存放外设发送过来的数据；

  • 输出缓冲

    暂时存放发往外设的数据；

• ALU

  算术逻辑单元是中央处理器的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由与门 (AND gate) 和或门 (OR gate) 构成的算数逻辑单元，主要功能是进行二进制的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)；

• 状态寄存器

  存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）；

  存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断位等）；

• 通用寄存器

  用于暂时存放或传送数据或指令；

  可保存 ALU 的运算中间结构；

  容量比一般寄存器大；

# 高速缓存

• 数据缓存

• 指令缓存