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电脑cpu是怎么工作的 | CPU如何工作的

电脑cpu是怎么工作的 | CPU如何工作的

CPU如何工作的

CPU不仅是电脑信息的处理中心,而且在其它的设备中所用到的控制芯片里也具有核心的位置,例如我们所用的手机、还有用单片机控制的电子设备等等。为了能够说明白CPU工作的来龙去脉,我们先来看看它的结构吧。

首先我们把CPU可以分为三个职能部门,第一个是负责各种运算的计算器,它的学名叫数学逻辑单元(ALU),它们的主要职能是负责加、减、乘和除的运算外,还负责各种逻辑运算,比如与、或、非、异或以及移位等计算,它如同我们生活中的会计一样,是运算的一把好手。

第二个职能部门是控制器,在它的下面又有三个子机构,一个是存放各种命令的储存室,CPU的各种命令都存放在这里;另一个是传送命令的译码室,CPU发出的各种命令需要在这里进行解码与解析、分发。它类似我们看到单位中的传达室,是用来发送各种命令的地方;最后一个是定时逻辑执行部门,CPU发出的各种命令都需要这个部门去执行,它主要是协调CPU发出的各种命令,然后也要协调CPU外部的信息。


CPU是怎么工作的

CPU的结构和工作原理。CPU的结构主要由运算器、控制器、寄存器三大块组成。

①运算器就是中央机构里负责执行任务的部门,也就是专门干活的;而控制器就是中央机构的领导小组,针对不同需要,给运算器下达不同的命令;寄存器可以理解为控制器和运算器之间的联络小组,主要工作就是协调控制器和运算器。


CPU是什么工作

CPU的工作过程

 

CPU的基本工作是执行存储的指令序列,即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。

CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令,译码并执行这条指令,保存执行结果,紧接着又去取指令,译码,执行指令……,如此周而复始,反复循环,使得计算机能够自动地工作。除非遇到停机指令,否则这个循环将一直进行下去。


CPU怎么工作

正常情况下,电脑不需要对cpu进行设置,除非打游戏需要超频cpu。但是有可能损坏cpu。


CPU如何

两万分的处理器属于入门级的处理器,八万分的显卡属于中端独显,这样搭配基本上不太合理,因为处理器太弱的情况下运行游戏处理器性能不足可能导致游戏效率下降, 显卡发挥不出应有的效果。可以根据配置实际情况考虑升级处理器或者更换平台。


CPU的工作流程

个人认为几十个晶体管是无法构成一个cpu的。cpu不仅仅只是计算功能。计算只是cpu中很小的一部分(通常计算部分的晶体管数量只占总数的百分之十以内)。

完整cpu需要实现以下几个功能:计算、比较、逻辑、存储、加载、分之跳转等。

只有实现了上述这些功能,cpu才能按照编写好的程序自动运行。只实现部分功能只能称为数字电路,而不是cpu。我自己设计了一个cpu内核,具有这些基本功能,在cycloneIV FPGA中共使用了6000多个le,换算下来大概几十万个晶体管,当然这是一个稍微复杂些的32位处理器(不过本科生计算机体系结构课程大作业的程度)。

世界上第一个cpu是intel 4004 处理器。4位处理器,能处理16以内的加减法,包含2300个晶体管。另外现在cpu,都得几十亿晶体管了。


cpu怎样工作

CPU的在了解CPU工作原理之前,我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。

因此,从这个意义上说,CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言,晶体管是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。

这一开一关就相当于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。   但你不要以为,只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单,其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。

在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来,科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。   看到这里,你一定想知道,晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢?其实,所有电子设备都有自己的电路和开关,电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果你将开关设置为OFF,电子将停止流动,如果你再将其设置为ON,电子又会继续流动。

晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制,我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样,晶体管的ON状态用“1”来表示,而OFF状态则用“0”来表示,就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况,将其定义为字母、数字、颜色和图形。

举个例子,十进位中的1在二进位模式时也是“1”,2在二进位模式时是“10”,3是“11”,4是“100”,5是“101”,6是“110”等等,依此类推,这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。

成组的晶体管联合起来可以存储数值,也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制,晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。  


cpu怎么运作的

我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道,数据从输入设备流经内存,等待CPU的处理,这些将要处理的信息是按字节存储的,也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储,这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作,比如完成加法、减法或移位运算。

我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先,指令指针(Instruction Pointer)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获取数值,告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

假如数据被送往算术逻辑单元,数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后,将回到寄存器中,通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。

基本上,CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下,一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作,CPU的工作就是执行这些指令,完成一条指令后,CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。

这个过程不断快速地重复,快速地执行一条又一条指令,产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到,在处理这么多指令和数据的同时,由于数据转移时差和CPU处理时差,肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生,CPU需要一个时钟,时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器,它不停地发出脉冲,决定CPU的步调和处理时间,这就是我们所熟悉的CPU的标称速度,也称为主频。主频数值越高,表明CPU的工作速度越快。


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