主流CPU的工作原理

时间：2025-04-04

主流CPU的工作原理

主流CPU的工作原理

CPU的基本构成

CPU的内部结构可分为：控制单元、逻辑运算单元、存储单元（包括内部总线和缓冲器）三大部分。

1.指令高速缓存

是芯片上的指令仓库，这样微处理器就不必停下来查找计算机的内存中的指令。这种快速方式加快了处理速度。

2.控制单元

它负责有整个处理过程。根据来自译码单元的指令，它会生成控制信号，告诉运算逻辑单元（ALU）和寄存器如何运算、对什么进行运算以及怎样对结果时处理。

3.运算逻辑单元（ALU）

是芯片的智能部件，能够执行加、减、乘、除等各种命令。此外，它还知道如何读取逻辑命令，如或、与、非。来自控制单元的讯息将告诉运算逻辑单元应该做些什么，然后运算单元将寄存器中提取数据。以完成任务。

4.寄存器

是运算逻辑单元（ALU）为完成控制单元请求的任务所使用的数据的小型存储区域。（数据可以来自高速缓存、内存、控制单元）

5.预取单元

根据命令或将要执行的任务决定，何时开始从指令高速缓存或计算机内存中获取数据和指令。当指令到达时，预取单元最重要任务是确保所有指令均按正确的排列，以发送到译码单元。

6.数据高速缓存

存储来自译码单元专门标记的数据，以备运算逻辑装单元使用，同时还准备了分配到计算机不同部分的最终结果。

7.译码单元

是将复杂的机器语言指令解译运算逻辑单元（ALU）和寄存器能够理解的简单格式。

8.总线单元

是指令从计算机内存流进和流出的处理器的地方。

CPU的工作原理

一个工厂对产品的加工过程：

进入工厂的原料（程序指令），结过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出的成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。

CPU的工作原理：

从控制单元开始，CPU就开始了正式工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作结束。首先，指令指针会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号（称为地址），可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取器什么时候取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

根据对指令类型的分析和特殊工作状态的需要，CPU设置了六种工作周期，分别用六

主流CPU的工作原理

个触发器来表示它们的状态，任一时刻只许一个触发器为1，表时CPU所处周期状态，即指令执行过程中的某个阶段。

1.取指周期（FC）

CPU在FC中完成取指所需要操作。每条指令都必须经历取指周期FC，在FC中完成的操作与指令操作码无关的公共操作。但FC结束后转向哪个周期则与本周期中取出的指令类型有关。

2.源周期（SC）

CPU在SC中完成取源操作数所需的操作。如指令需要源操作数，则进入SC。在SC中根据指令寄存器IR的源地址信息，形成源地址，读取源操作数。

3.目的周期（DC）

如果CPU需要获得目的操作数或形成目的地址，则进DC。在DC中根据IR中的目的地址信息进行相应操作。

4.执行周期（EC）

CPU在取得操作数后，则进入EC，这也是第条指令都经历的最后一个工作阶段。在EC中将依据IR中的操作码执行相应操作，如传递、算术运算、逻辑运算、形成转移地址等。

5.中断响应周期（IC）