中央处理器CPU 工作原理（附详细图解）

CPU，即中央处理器用来处理数据，可以比喻成大脑，是计算机的核心；主板为整个系统提供着稳定的运行环境，计算机的各个部件都得以它为基础，所以就像是人体的骨骼支撑着整个身体；显卡用来图像处理，就像是人体的视觉系统；电源给主机提供稳定的直流电，就像是人体的血液；内存、硬盘就像人体的记忆中枢。

CPU是一台计算机的运算核心和控制核心。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器、寄存器、高速缓存及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利数学家，计算机科学家，物理学家

现代的计算机, 大多遵守 冯诺依曼体系结构。

存储器，分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)

输入设备，用户给计算机发号施令的设备

输出设备，计算机个用户汇报结果的设备

二. CPU 的基本工作过程

CPU = ALU ➕ CU

ALU 算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）：是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门） 和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

CU 控制单元（Control Unit）：负责程序的流程管理。控制单元是整个 CPU 的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

我们用一个例子来说明一下：假设 CPU 是一个工厂，一个核心就是工厂的一个车间

那么运算器 就是工厂里的普工，只负责生产（运算）

而 寄存器 呢，就是一个工具人，有时需要传递信息（数据），有时需要搬运物资（数据）。

控制器则是车间主管，管理调剂所有普工和工具人，压榨他们的劳动价值。

直到有一天，工厂发现一个车间（核心）效率不够，就只能增加车间（核心）来提高整个工厂效率。

但是，渐渐的，又有新问题出现，工具人虽然效率高，但是数量不多，而随着越来越多的原材料（数据）涌入，工具人搬不过来。这时工厂就整了一个小板车（cache），专门用来运输、寄存工具人搬不过来的数据，而且各工厂可以共享其中一部分（intel 的 L3 cache）。

随着车间数量（核心数目）增加到八，工厂发现有些时候出货量挺高的（全车间都开工），但有些时候只有一两个个车间开工，其它车间都在围观（调度问题）。

而且整个工厂一起开工，用电量和发热量也急剧上升，但是各车间的效率（频率）就是上不去，此外，还要担心电力供给、散热、物资（数据）运输等各类问题。

终于，在投入了大研发后，工厂的厂房布局设计（架构）有了大改进。

各部门之间的交通更便利了；并且，工厂也重新招聘短小精悍的工人（提升制程工艺），将以前那种牛高马大，光吃不干的大块头全部淘汰了。至此，同样大的车间，能融入更多的工人干活了，而且短小精悍的工人，吃的饭还少（功耗低）。

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指令的执行流程

一、取指令阶段

取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增。

二、指令译码阶段

取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

三、执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

四、访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

五、结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。

结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；

在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

CPU 的中断模式（Interrupt Mode）

在正常情况下，CPU 可以顺序执行，也可以分支执行。但总归是按照既定顺序去执行。

但现实中，很多时候，需要暂时中断 CPU 的当前执行流，先让 CPU 去做点其他的工作，再回头来继续原来的执行流。

CPU 硬件中提供了一种机制（中断）让 CPU 停下：

保存当前的 PC 的值到内存的某个位置

修改 PC 的值，让执行其他执行流

其他执行流执行结束之后，通过将刚才保存的 PC 值恢复到 PC 寄存器