CPU和內(nèi)存之間究竟是如何工作的

我們知道CPU是中央處理器，它是控制處理中心，我們的電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品都離不開CPU。那么，CPU內(nèi)部到底是如何工作的呢？我們一起來看看。

當(dāng)我們?cè)陔娔X旁工作的時(shí)候，電腦其實(shí)也不斷的在工作。

我們打開機(jī)箱，就會(huì)看見電腦的主板，也可以看到電風(fēng)扇而不停地在轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇下面的是CPU，它不停地在和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊，就像我們的大腦。

CPU是由很多很多晶體管構(gòu)成的。它主要有控制器，運(yùn)算器，寄存器幾個(gè)部分，寄存器有數(shù)字寄存器，指令寄存器，指令地址寄存器。我們假設(shè)有四個(gè)數(shù)字寄存器，它們可以存放臨時(shí)的數(shù)據(jù)。右邊的是內(nèi)存，還有16個(gè)存儲(chǔ)位置，每個(gè)位置有8位bit。

CPU和內(nèi)存之間究竟是如何工作的呢？

當(dāng)我們啟動(dòng)電腦時(shí)，所有的寄存器都從零開始。假設(shè)內(nèi)存存放了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序，CPU操作的第一階段為“取指令”，也就是我們獲得第一個(gè)指令的過程。

首先，指定地址寄存器連到內(nèi)存，寄存器的值為零。內(nèi)存返回地址0中的值00101110。該值復(fù)制到指定寄存器中，然后由CPU開始解析該指令，以便執(zhí)行什么樣的操作。這個(gè)步驟稱它為“解碼”。

該指定前四位為操作代碼，后四位為操作代碼來自哪里？由于前四位為操作代碼0010，對(duì)應(yīng)我們的指令集，0010是讀內(nèi)存放入寄存器A中，后四位是內(nèi)存的地址1110。即十進(jìn)制的數(shù)字14。

接著，用一些邏輯門電路來檢查該操作碼是否與0010匹配，輸出為1，表示匹配成功。接下來執(zhí)行該指令，也就是執(zhí)行過程。

通過邏輯門電路檢查電路輸出，打開內(nèi)存的讀取線，找到內(nèi)存1110的地址14，讀取該地址的值00000011，下一步把該值存儲(chǔ)到寄存器A中，我們通過數(shù)據(jù)線連接到4個(gè)數(shù)字寄存器，CPU通過指令開啟數(shù)據(jù)寄存器A允許寫入。該數(shù)據(jù)被寫入到寄存器A中，我們已完成了該指令。

現(xiàn)在關(guān)掉所有的線，準(zhǔn)備從內(nèi)存中讀取下一條指令。指令地址增加1，內(nèi)存返回地址1的值00011111。復(fù)制到指令寄存器。再到解碼的過程，通過指定集，指定前四位0001，它表示讀內(nèi)存存儲(chǔ)到寄存器B中，這次內(nèi)存地址是1111，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制尾數(shù)為15，到執(zhí)行的過程，開啟內(nèi)存讀取線，找到內(nèi)存15地址，讀取該地址的值。并通過數(shù)據(jù)線把該值00001110存儲(chǔ)到寄存器B中，最后將指定地址寄存器增加1，關(guān)閉所有的線。

現(xiàn)在內(nèi)存返回地址2的值10000100放入指令寄存器CPU從指定集開始解碼，操作碼1000是加法指令。添加兩個(gè)寄存器存儲(chǔ)到第二個(gè)存儲(chǔ)器中，該指定有兩種，前兩位01對(duì)應(yīng)的寄存器B，后兩位00對(duì)應(yīng)寄存器A，因此10000100是指寄存器B中的值添加到寄存器A中。

將寄存器A、B連接到運(yùn)算器的輸入端，運(yùn)算器執(zhí)行加法運(yùn)算，關(guān)閉運(yùn)算器輸出的結(jié)果保存在寄存器A中。00010001就是輸入的值是3和14兩個(gè)值的和等于17，接下來指定地址增加1，完成這個(gè)過程，找到內(nèi)存地址3的值。

我們打開指令集開始解碼，0100表示讀A寄存器到內(nèi)存，1101對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址是13，然后將寄存器A的值，通過數(shù)據(jù)線送到內(nèi)存13的地址上。

我們剛剛運(yùn)行的計(jì)算機(jī)的程序，它從內(nèi)存中加載兩個(gè)值相加，然后把結(jié)果放入內(nèi)存，也就是CPU的取指令、解碼、執(zhí)行過程。我們電腦的系統(tǒng)是要很多很多的小程序組成，CPU也就不斷的在循環(huán)這個(gè)過程。每個(gè)CPU執(zhí)行這個(gè)過程的速度不一樣，這個(gè)速度是由CPU主頻即CPU工作頻率決定，它決定著CPU的快慢。
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