CPU的原始工作模式

在了解CPU工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單談?wù)凜PU是如何生產(chǎn)出來(lái)的。CPU是在特別純凈的硅材料上制造的。一個(gè)CPU芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們?cè)谝粔K指甲蓋大小的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，CPU正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)單而言，晶體管就是微型電子開(kāi)關(guān)，它們是構(gòu)建CPU的基石，你可以把一個(gè)晶體管當(dāng)作一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀態(tài):ON(開(kāi))和OFF(關(guān))。這一開(kāi)一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通與斷開(kāi)，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“0和“1對(duì)應(yīng)！這樣，計(jì)算機(jī)就具備了處理信息的能力。

但你不要以為，只有簡(jiǎn)單的“0和“1兩種狀態(tài)的晶體管的原理很簡(jiǎn)單，其實(shí)它們的發(fā)展是經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的辛苦研究得來(lái)的。在晶體管之前，計(jì)算機(jī)依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)處理信息。后來(lái)，科研人員把兩個(gè)晶體管放置到一個(gè)硅晶體中，這樣便創(chuàng)作出第一個(gè)集成電路，再后來(lái)才有了微處理器。

看到這里，你一定想知道，晶體管是如何利用“0和“1這兩種電子信號(hào)來(lái)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的呢？其實(shí)，所有電子設(shè)備都有自己的電路和開(kāi)關(guān)，電子在電路中流動(dòng)或斷開(kāi)，完全由開(kāi)關(guān)來(lái)控制，如果你將開(kāi)關(guān)設(shè)置為OFF，電子將停止流動(dòng)，如果你再將其設(shè)置為ON，電子又會(huì)繼續(xù)流動(dòng)。晶體管的這種ON與OFF的切換只由電子信號(hào)控制，我們可以將晶體管稱(chēng)之為二進(jìn)制設(shè)備。這樣，晶體管的ON狀態(tài)用“1來(lái)表示，而OFF狀態(tài)則用“0來(lái)表示，就可以組成最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“1與“0的特殊次序和模式能代表不同的情況，將其定義為字母、數(shù)字、顏色和圖形。舉個(gè)例子，十進(jìn)位中的1在二進(jìn)位模式時(shí)也是“1，2在二進(jìn)位模式時(shí)是“10，3是“11，4是“100，5是“101，6是“110等等，依此類(lèi)推，這就組成了計(jì)算機(jī)工作采用的二進(jìn)制語(yǔ)言和數(shù)據(jù)。成組的晶體管聯(lián)合起來(lái)可以存儲(chǔ)數(shù)值，也可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算。加上石英時(shí)鐘的控制，晶體管組就像一部復(fù)雜的機(jī)器那樣同步地執(zhí)行它們的功能。

CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們已經(jīng)大概知道CPU是負(fù)責(zé)些什么事情，但是具體由哪些部件負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢？

1.算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)

ALU是運(yùn)算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合而成的電路，在控制信號(hào)的作用下可完成加、減、乘、除四則運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算。就像剛才提到的，這里就相當(dāng)于工廠中的生產(chǎn)線(xiàn)，負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)。

2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)

RS實(shí)質(zhì)上是CPU中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因?yàn)槭艿叫酒娣e和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專(zhuān)用寄存器和通用寄存器。專(zhuān)用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。

3.控制單元(Control Unit)

正如工廠的物流分配部門(mén)，控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶(hù)預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號(hào)。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

4.總線(xiàn)(Bus)

就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道，總線(xiàn)實(shí)際上是一組導(dǎo)線(xiàn)，是各種公共信號(hào)線(xiàn)的集合，用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路。直接和CPU相連的總線(xiàn)可稱(chēng)為局部總線(xiàn)。其中包括: 數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB(Data Bus)、地址總線(xiàn)AB(Address Bus) 、控制總線(xiàn)CB(Control Bus)。其中，數(shù)據(jù)總線(xiàn)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息；地址總線(xiàn)用于傳送CPU發(fā)出的地址信息；控制總線(xiàn)用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等。