CPU如何工作

工具通常比機器簡單。

它通常與手一起使用，而機器經常通過動物或蒸汽來驅動。

- 查爾斯·巴貝奇

計算機是一臺主要由電力驅動的機器，但是其靈活性和可程式設計性有助於實現工具的簡單性。

處理器的兩個主要元件控制單元cu算術和邏輯單元alu控制單元cu

控制單元cu是cpu的一部分，可幫助協調指令的執行。 它告訴該怎麼辦。 根據說明，它有助於啟用將cpu連線到計算機其他不同部分（包括alu）的電線。 控制單元是cpu接收處理指令的第乙個元件。

控制單元有兩種型別：

硬連線控制單元.microprogrammable（微程式）的控制單元。

有線控制單元是硬體，需要對硬體進行更改以新增修改以使其能夠工作，因為可以對微可程式設計控制單元進行程式設計以更改其行為。 硬接線cu處理指令的速度更快，而微程式設計的靈活性更高。

算術和邏輯單元— alu

顧名思義，算術和邏輯單元alu執行所有算術和邏輯計算。 alu執行加減運算。 alu由執行這些操作的邏輯電路或邏輯門組成。

大多數邏輯門接受兩個輸入並產生乙個輸出

波紋管是半加法器電路的乙個示例，它具有兩個輸入並輸出結果。 這裡a和b是輸入，s是輸出，c是進製。

cpu的主要工作是執行提供給它的指令。 要在大多數時間處理這些指令，它需要資料。 一些資料是中間資料，其中一些是輸入，其他是輸出。 這些資料和說明一起儲存在以下儲存器中：

暫存器

暫存器是一小組可以儲存資料的地方。 暫存器是鎖存器的組合。鎖存器也稱為觸發器，是儲存1位資訊的邏輯門的組合。

鎖存器有兩根輸入線，寫和輸入線，以及一根輸出線。 我們可以啟用寫入線來更改儲存的資料。 禁用寫線時，輸出始終保持不變。

由一對交叉耦合的或非

門構成的sr鎖存器

cpu具有用於儲存輸出資料的暫存器。 由於它是中間資料，因此傳送到主儲存器（ram）會很慢。 該資料被傳送到通過bus連線的其他暫存器。 暫存器可以儲存指令，輸出資料，儲存位址或任何型別的資料。

記憶體（ram）

ram是暫存器的集合，這些暫存器以優化的方式排列並壓縮在一起，以便可以儲存更多資料。 ram（隨機訪問儲存器）易失，當我們關閉電源時，資料會丟失。 由於ram是用於讀取/寫入資料的暫存器的集合，因此ram接受8位位址的輸入，輸入要儲存的實際資料的資料，最後讀取和寫入使能器，其對鎖存器的作用相同。

什麼是指示

指令是計算機可執行的粒度計算。 cpu可以處理各種指令。

說明包括：

算術諸如加法和減法的邏輯指令，諸如與，或，而不是資料的指令如移動，輸入，輸出，負載和儲存控制流指令，諸如跳轉，如果... goto，呼叫和返回通知cpu該程式已經停止

使用組合語言將指令提供給計算機，或者由編譯器生成指令，或者以某些高階語言解釋指令。

這些指令被硬連線到cpu內部。 alu包含算術和邏輯，控制流由cu管理。

在乙個時鐘週期內，計算機可以執行一條指令，但是現代計算機可以執行多條指令。

計算機可以執行的一組指令稱為指令集。

cpu時鐘

時鐘週期

計算機的速度取決於其時鐘週期。 它是計算機每秒工作的時鐘週期數。 乙個時鐘週期非常小，大約為250 * 10 * -12秒。 時鐘週期越高，處理器越快。

cpu時鐘週期以ghz（千兆赫）的措施。 1ghz等於10⁹hz（赫茲）。 赫茲表示一秒鐘。 因此1 ghz意味著每秒10個週期。

時鐘週期越快，cpu可執行的指令越多。

clock cycle = 1 /clock  rate

cpu time = number of  clock  cycle /  clock  rate

這意味著可以通過優化提供給cpu的指令來縮短cpu時間，從而提高時鐘速率或減少時鐘週期數。 某些處理器具有增加時鐘週期的能力，但由於是物理變化，因此可能會過熱甚至冒煙/著火。

指令如何執行

指令按順序儲存在ram中。 對於乙個假設的cpu，指令由op**（操作**）和儲存器或暫存器位址組成。

控制單元指令暫存器（ir）中有兩個暫存器載入指令的op**和指令位址暫存器，後者載入當前執行指令的位址。 cpu內還有其他暫存器，用於儲存儲存在指令後4位位址中的值。

讓我們以一組指令加兩個數字為例。 以下是說明以及說明：

步驟1 — load_a 8：

最初將指令儲存在ram中，例如<1100 1000>。 前4位是操作碼。 這確定了指令。 該指令被提取到控制單元的ir中。 該指令被解碼為load_a，這意味著它需要將資料載入到位址1000中，該位址是指令a的最後4位。

步驟2 — load_b 2

與上面類似，這會將記憶體位址2（0010）中的資料載入到cpu暫存器b。

第3步-新增ba

現在，下一條指令是將這兩個數字相加。 此處，cu告訴alu執行加法運算並將結果儲存回暫存器a。

步驟4 — store_a 23

這是一組非常簡單的指令，有助於將兩個數字相加。

我們已經成功地新增了兩個數字！

匯流排

cpu，暫存器，儲存器和io裝置之間的所有資料都通過匯流排傳輸。 為了將資料載入到剛剛新增的儲存器中，cpu將儲存器位址放入位址匯流排，並將總和的結果放入資料匯流排，並在控制匯流排中啟用正確的訊號。 通過這種方式，資料將在匯流排的幫助下被載入到記憶體中。

src： https : computing)#/media/file: computer_system_bus.svg快取

cpu還具有將指令預取到其快取的機制。 眾所周知，處理器可以在一秒鐘內完成數百萬條指令。 這意味著從ram提取指令要比執行指令花費更多的時間。 因此，cpu快取記憶體會預取一些指令以及資料，以便快速執行。

如果快取記憶體和操作記憶體中的資料不同，則將資料標記為髒位。

指令流水線

現代cpu將指令流水線用於指令執行中的並行化。 提取，解碼，執行。 當一條指令處於解碼階段時，cpu可以為提取階段處理另一條指令。

當一條指令依賴於另一條指令時，這將產生乙個問題。 因此，處理器以不相同的順序執行不相關的指令。

多核計算機

它基本上是不同的cpu，但是有一些共享資源，例如快取。

效能 cpu的效能取決於其執行時間。

performance = 1 /execution time

假設乙個程式執行需要20毫秒。 cpu的效能為1/20 = 0.05ms

relative performance = execution time 1 / execution time 2

cpu效能要考慮的因素是指令執行時間和cpu時鐘速度。 因此，要提高程式的效能，我們要麼需要提高時鐘速度，要麼需要減少程式中的指令數量。 處理器速度有限，具有多核功能的現代計算機每秒可支援數百萬條指令。 但是，如果我們編寫的程式有很多指令，則會降低整體效能。

大o標記使用給定的輸入確定如何影響效能。

cpu中進行了大量優化，以使其更快並盡可能地發揮效能。 在編寫任何程式時，我們需要考慮減少提供給cpu的指令數量將如何提高電腦程式的效能。

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CPU是如何工作的

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