cpu功能解析，cpu功能作用與其工作過程

　　cpu即中央處理器，是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。cpu中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。cpu主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器三部分組成，運(yùn)算器從字面意思看就是起著運(yùn)算的作用，控制器就是負(fù)責(zé)發(fā)出cpu每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運(yùn)算或者指令的一些臨時(shí)文件，這樣可以保證更高的速度。

　　cpu的主要功能作用

　　1、處理指令

　　英文Processing instructions，這是指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴(yán)格順序的，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的正確性。

　　2、執(zhí)行操作

　　英文Perform an action，一條指令的功能往往是由計(jì)算機(jī)中的部件執(zhí)行一系列的操作來實(shí)現(xiàn)的。CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，發(fā)給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。

　　3、控制時(shí)間

　　英文Control time，時(shí)間控制就是對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)。在一條指令的執(zhí)行過程中，在什么時(shí)間做什么操作均應(yīng)受到嚴(yán)格的控制。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。

　　4、處理數(shù)據(jù)

　　即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，或進(jìn)行其他的信息處理。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)， 并執(zhí)行指令。

　　cpu的作用

　　cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制單元，邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分。cpu的工作原理就象一個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過程：進(jìn)入工廠的原料（指令），經(jīng)過物資分配部門（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運(yùn)算單元）。

　　生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲(chǔ)在倉庫（存儲(chǔ)器）中，最后等著拿到市場上去賣（交由應(yīng)用程序使用）。cpu作為是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心，它往往是各種檔次微機(jī)的代名詞，如往日的286、386、486，到如今的奔騰、奔騰四、K6等等，cpu的性能大致上也就反映出了它所配置的那部微機(jī)的性能，因此它的性能指標(biāo)十分重要。

　　cpu的工作過程

　　CPU的基本工作是執(zhí)行存儲(chǔ)的指令序列，即程序。程序的執(zhí)行過程實(shí)際上是不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令的過程。

　　CPU從存放程序的主存儲(chǔ)器里取出一條指令，譯碼并執(zhí)行這條指令，保存執(zhí)行結(jié)果，緊接著又去取指令，譯碼，執(zhí)行指令…，如此周而復(fù)始，反復(fù)循環(huán)，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地工作。除非遇到停機(jī)指令，否則這個(gè)循環(huán)將一直進(jìn)行下去。其過程如圖3-3所示

　　幾乎所有的馮?諾伊曼型計(jì)算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個(gè)階段：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)和結(jié)果寫回。如圖3-4所示。

　　1．取指令階段

　　取指令（Instruction Fetch，IF）階段是將一條指令從主存中取到指令寄存器的過程。

　　程序計(jì)數(shù)器PC中的數(shù)值，用來指示當(dāng)前指令在主存中的位置。當(dāng)一條指令被取出后，PC中的數(shù)值將根據(jù)指令字長度而自動(dòng)遞增。若為單字長指令，則（PC）+1?PC，若為雙字長指令，則（PC）+2?PC，依此類推。

　　2．指令譯碼階段

　　取出指令后，計(jì)算機(jī)立即進(jìn)入指令譯碼（Instruction Decode，ID）階段。

　　在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對(duì)取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識(shí)別和區(qū)分出不同的指令類別及各種獲取操作數(shù)的方法。

　　在組合邏輯控制的計(jì)算機(jī)中，指令譯碼器對(duì)不同的指令操作碼產(chǎn)生不同的控制電位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，指令譯碼器用指令操作碼找到執(zhí)行該指令的微程序的入口，并從此入口開始執(zhí)行。

　　在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)里，CPU中負(fù)責(zé)指令譯碼的部分是無法改變的硬件。不過，在眾多運(yùn)用微程序控制技術(shù)的新型CPU中，微程序有時(shí)是可重寫的，可以通過修改成品CPU來改變CPU的譯碼方式。

　　3．執(zhí)行指令階段

　　在取指令和指令譯碼階段之后，接著進(jìn)入執(zhí)行指令（Execute，EX）階段。

　　此階段的任務(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實(shí)現(xiàn)指令的功能。為此，CPU的不同部分被連接起來，以執(zhí)行所需的操作。

　　例如，如果要求完成一個(gè)加法運(yùn)算，算術(shù)邏輯單元（ALU）將被連接到一組輸入和一組輸出，輸入端提供需要相加的數(shù)值，而輸出端將含有最后的運(yùn)算結(jié)果。

　　4．訪存取數(shù)階段

　　根據(jù)指令需要，有可能要訪問主存，讀取操作數(shù)，這樣就進(jìn)入了訪存取數(shù)（Memory，MEM）階段。

　　此階段的任務(wù)是：根據(jù)指令地址碼，得到操作數(shù)在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數(shù)用于運(yùn)算。

　　5．結(jié)果寫回階段

　　作為最后一個(gè)階段，結(jié)果寫回（Writeback，WB）階段把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲(chǔ)形式。結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)常被寫到CPU的內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存取。在有些情況下，結(jié)果數(shù)據(jù)也可被寫入相對(duì)較慢、但較廉價(jià)且容量較大的主存。許多指令還會(huì)改變程序狀態(tài)字寄存器中標(biāo)志位的狀態(tài)，這些標(biāo)志位標(biāo)識(shí)著不同的操作結(jié)果，可被用來影響程序的動(dòng)作。

　　在指令執(zhí)行完畢、結(jié)果數(shù)據(jù)寫回之后，若無意外事件（如結(jié)果溢出等）發(fā)生，計(jì)算機(jī)就接著從程序計(jì)數(shù)器PC中取得下一條指令地址，開始新一輪的循環(huán)，下一個(gè)指令周期將正常地順序取出下一條指令。

　　許多新型CPU可以同時(shí)取出、譯碼和執(zhí)行多條指令，體現(xiàn)出并行處理的特性。

　　指令周期的基本概念

　?。?）指令周期

　　CPU取出一條指令并執(zhí)行該指令所需的時(shí)間稱為指令周期。

　　指令周期的長短與指令的復(fù)雜程度有關(guān)。

　?。?）CPU周期

　　指令周期常常用若干個(gè)CPU周期數(shù)來表示。

　　由于CPU內(nèi)部的操作速度較快，而CPU訪問一次主存所花的時(shí)間較長，因此通常用從主存讀取一條指令的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期。

　　CPU周期也稱為機(jī)器周期。

　?。?）時(shí)鐘周期

　　一個(gè)CPU周期包含有若干個(gè)時(shí)鐘周期。

　　時(shí)鐘周期是處理操作的最基本時(shí)間單位，由機(jī)器的主頻決定。

　　一個(gè)CPU周期的時(shí)間寬度由若干個(gè)時(shí)鐘周期的總和決定。

　　圖3-5為采用定長CPU周期的指令周期示意圖。

　　（4）取出和執(zhí)行任何一條指令所需的最短時(shí)間為兩個(gè)CPU周期。

　　任何一條指令，它的指令周期至少需要兩個(gè)CPU周期，而復(fù)雜指令的指令周期則需要更多的CPU周期。這是因?yàn)椋粭l指令的取出階段需要一個(gè)CPU周期時(shí)間，而一條指令的執(zhí)行階段則需要至少一個(gè)CPU周期時(shí)間。由于不同復(fù)雜度指令的執(zhí)行周期所需的CPU周期數(shù)不盡相等，因此，各種指令的指令周期也是不盡相同的。

　　用指令流程圖表示指令周期

　　在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以像畫程序流程圖那樣，采用指令流程圖來表示一條指令的指令周期。

　　在指令流程圖中，

　　方框：代表一個(gè)操作步驟，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。

　　菱形框：通常用來表示某種判別或測(cè)試，其動(dòng)作依附于它前面的一個(gè)方框。

　　公操作符號(hào)“～”：表示一條指令已經(jīng)執(zhí)行完畢，轉(zhuǎn)入公操作。所謂公操作，就是一條指令執(zhí)行完畢后，CPU所開始進(jìn)行的一些操作，這些操作主要是CPU對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理。如果外設(shè)沒有向CPU請(qǐng)求交換數(shù)據(jù)，那么CPU又轉(zhuǎn)向主存取下一條指令。

　　時(shí)序信號(hào)

　　在計(jì)算機(jī)高速運(yùn)行的過程中，計(jì)算機(jī)內(nèi)各部件的每一個(gè)動(dòng)作都必須嚴(yán)格遵守時(shí)間規(guī)定，不能有任何差錯(cuò)。

　　計(jì)算機(jī)內(nèi)各部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用時(shí)序信號(hào)來體現(xiàn)的。

　　計(jì)算機(jī)各部分工作所需的時(shí)序信號(hào)，在CPU中統(tǒng)一由時(shí)序發(fā)生器來產(chǎn)生。

　　時(shí)序發(fā)生器

　　CPU中的時(shí)序信號(hào)發(fā)生器，其功能是用邏輯電路來發(fā)出時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確、迅速、有條不紊地工作。

　　時(shí)序信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生指令周期控制時(shí)序信號(hào)的部件，當(dāng)CPU開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器利用時(shí)序信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，提供計(jì)算機(jī)各部分工作時(shí)所需的各種微操作定時(shí)控制信號(hào)，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器各個(gè)部件按規(guī)定時(shí)間動(dòng)作。

　　從操作控制器設(shè)計(jì)方法而言，組合邏輯控制器的時(shí)序電路比較復(fù)雜，而微程序控制器的時(shí)序電路則比較簡單。

　　控制方式

　　控制器控制一條指令運(yùn)行的過程是依次執(zhí)行一個(gè)確定的操作序列的過程。

　　為了使機(jī)器能夠正確執(zhí)行指令，控制器必須能夠按正確的時(shí)序產(chǎn)生操作控制信號(hào)。

　　控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法，稱為控制器的控制方式。

　　控制方式通常分為三種：同步控制方式、異步控制方式、聯(lián)合控制方式，其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。

　　1、同步控制方式

　　同步控制方式是指操作序列中每一步操作的執(zhí)行，都由確定的具有基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)來控制，其特點(diǎn)是系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘，所有的控制信號(hào)均來自這個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。

　　在同步控制方式中，在任何情況下，給定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的CPU周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的。

　　同步控制方式有時(shí)又稱為固定時(shí)序控制方式或無應(yīng)答控制方式。

　　根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取以下幾種方案：

　　采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。顯然，對(duì)簡單指令和簡單的操作而言，這將造成時(shí)間上的浪費(fèi)。

　　采用不定長機(jī)器周期。將大多數(shù)操作安排在一個(gè)較短的機(jī)器周期內(nèi)完成，而對(duì)于某些時(shí)間緊張的操作，則采取延長機(jī)器周期的辦法來加以解決。

　　中央控制與局部控制結(jié)合。將大部分指令安排在固定的機(jī)器周期完成（稱為中央控制），而對(duì)于少數(shù)復(fù)雜指令（乘、除、浮點(diǎn)運(yùn)算）則采用另外的時(shí)序進(jìn)行定時(shí)（稱為局部控制）。

　　同步控制方式設(shè)計(jì)簡單，操作控制容易實(shí)現(xiàn)。

　　2.異步控制方式

　　異步控制方式是一種按每條指令、每個(gè)操作的實(shí)際需要而占用時(shí)間的控制方式，不同指令所占用的時(shí)間完全根據(jù)需要來決定。

　　在異步控制方式中，每條指令的指令周期既可由數(shù)量不等的機(jī)器周期數(shù)組成，也可由執(zhí)行部件完成CPU要求的操作后發(fā)回控制器的應(yīng)答信號(hào)來決定。也就是說，CPU訪問的每個(gè)操作控制信號(hào)的時(shí)間由其需要占用的時(shí)間來決定，每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。

　　顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的CPU周期數(shù)和嚴(yán)格的時(shí)鐘周期與之同步，所以稱為異步方式。

　　異步控制方式有時(shí)又稱為可變時(shí)序控制方式或應(yīng)答控制方式。

　　在異步控制方式下，指令的運(yùn)行效率高，但控制線路的硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。

　　異步控制方式在計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如CPU對(duì)主存的讀寫、I/O設(shè)備與主存的數(shù)據(jù)交換等一般都采用異步控制方式，以保證執(zhí)行時(shí)的高速度。

　　3.聯(lián)合控制方式

　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般采用的方式是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式，即聯(lián)合控制方式。

　　聯(lián)合控制方式的設(shè)計(jì)思想是：在功能部件內(nèi)部采用同步控制方式，而在功能部件之間采用異步控制方式，并且在硬件實(shí)現(xiàn)允許的情況下，盡可能多地采用異步控制方式。

　　聯(lián)合控制方式通常選取以下兩種方案：

　　大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的應(yīng)答信號(hào)作為本次操作的結(jié)束；

　　機(jī)器周期的時(shí)鐘周期數(shù)固定，但是各條指令周期的機(jī)器周期數(shù)不固定。