1.1.CPU
简介
计算机的工作过程就是计算机执行程序的过程。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方能够找到用来操作的数据。
一旦把程序装入主存储器，计算机就可以自动执行取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU），做成单片集成电路的CPU通常又称为微处理器（Microprocessor），在一个集成电路中集成了两个 CPU 芯片，称之为双核（dual core）微处理器。现代的个人计算机一般都是使用微处理器作为CPU。
注意：CPU不是指一个特定的某一类东西，而是具有某种功能的部件的总称。 所以，不管是何种形态、设计、原理的部件，只要它能具有取出指令、执行指令的功能，它就是CPU。 简而言之，CPU 是用来表示计算机内部元件功能的术语。
顶视图是CPU的顶盖，用来保护CPU Die。底视图是CPU引脚，引脚用于输入或输出电信号，CPU通过引脚控制整个计算机。
计算机工业从1960W年代早期开始使用CPU这个术语。迄今为止，CPU从形态、设计到实现都已发生了巨大的变化，但是其基本工作原理却一直没有大的变化。
早期的CPU通常是为大型、特定的应用而定制的。目前，这种为特定应用而设计定制CPU的昂贵方法，在很大程度上已经让位于可大规模生产的通用处理器。这种标准化趋势，诞生于分立晶体管大型计算机（Mainframe）和小型计算机（Minicomputer）年代，并且随着集成电路（IC）的普及而大大加速。
现代的CPU使用集成电路制作，集成电路可以把日益复杂的CPU设计制造在很小的空间里。CPU的小型化和标准化，大大增加了这些数字器件在现代生活中的应用范围，远远超出了专用运算机器这一有限的应用。现代微处理器已经随处可见，从汽车到手机，甚至儿童玩具。
CPU工作过程
CPU和内存由数字集成电路（数字芯片）构成，集成电路通常称为IC（Integrated Circuit），它由晶体管组成，每一个晶体管具有ON/OFF两个状态。CPU中不同的数字电路实现不同的运算，相同的运算也可以用不同的数字电路实现。CPU能实现的各种最基本的运算统称为指令集，而 CPU自身就是一种指令集的实现。
实际上，从计算机组成的层次结构看，计算机指令又分为微指令、机器指令、宏指令。
微指令：微程序级的命令，属于硬件。
宏指令：若干条机器指令组成的命令，属于软件（汇编语言的宏指令）。
机器指令：通常所说的指令，介于微指令和宏指令之前 ，可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。机器指令是CPU可以直接识别（执行）的指令。
CPU的基本工作是执行内存中的指令序列，即程序。
几乎所有的冯诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。其中取指令、指令译码、执行指令是三个不可或缺的阶段。
计算机在工作时，CPU会不断重复这5个过程，除非遇到停机指令。
1．取指令
取指令（Instruction Fetch，IF）是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。指令先从内存中被取到数据缓冲寄存器（DR），然后送入指令寄存器（IR）。
2．指令译码
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（ID）按照预定的指令格式，对指令寄存器（IR）中的指令进行拆分和解释，识别和区分出不同的指令类别及各种获取操作数的方法。
在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。
在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的硬件。不过，在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式。
3．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。
例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元（ALU）将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，而输出端将含有最后的运算结果。
4．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。
5．结果写回阶段
作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，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，下一个指令周期将正常地顺序取出下一条指令。
许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现出并行处理的特性。
CPU部件
从功能方面来看，CPU的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部件构成，其中，控制器和运算器是CPU不可或缺的部件。各部件之间由电流信号相互连通。
-
寄存器用来暂存指令、数据等处理对象，是储存器的一种。根据种类的不同，一个 CPU 内部会有20～100个寄存器。
-
控制器负责把内存上的指令、数据等读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。
-
运算器负责运算从内存读入寄存器的数据。
-
时钟负责发出 CPU 开始计时的时钟信号。不过，也有些计算机的时钟位于 CPU 的外部。
寄存器
分为通用寄存器和专用寄存器。专用寄存器作用是固定的，如控制器和运算器中的寄存器。而通用寄存器可以由程序员指定用途。
根据功能的不同，可以将寄存器大致划分为八类。可以看出，寄存器中存储的内容既可以是指令也可以是数据。其中，数据分为“用于运算的数值”和“表示内存地址的数值”两种。 数据种类不同，存储该数值的寄存器也不同。CPU 中每个寄存器的功能都是不同的。
| 种类 | 功能 |
|---|---|
| 累加寄存器 accumulator | 存储执行运算的数据和运算后的数据 |
| 标志寄存器 flag register | 存储运算处理后的 CPU 的状态 |
| 程序计数器 program counter | 存储下一条指令所在内存的地址 |
| 基址寄存器 base register | 存储数据内存的起始地址 |
| 变址寄存器 index register | 存储基址寄存器的相对地址 |
| 通用寄存器 general purpose register | 存储任意数据 |
| 指令寄存器 instruction register | 存储指令。CPU 内部使用，程序员无法通过程序对该寄存器进行读写操作 |
| 栈寄存器 stack register | 存储栈区域的起始地址 |
其中程序计数器、累加寄存器、标志寄存器、指令寄存器和栈寄存器都只有一个，其他寄存器一般有多个。
寄存器对程序员来说比较特殊，因为在汇编语言中，程序员需要直接操纵寄存器：
# 汇编语言编写的程序示例
mov eax, dword ptr [ebp-8] # 把数值从内存复制到 eax
add eax, dword ptr [ebp-0Ch] # exa 的数值和内存的数值相加
mov dword ptr [ebp-4], eax # 把 exa 的数值（上一步的相加结果）存储在内存中
eax 和 ebp 是 CPU 内部的寄存器的名称。内存的存储场所通过地址编号来区分，而寄存器的种类则通过名字来区分。
运算器
- 算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit,
ALU）：负责对数据进行算术运算和逻辑运算。 - 累加寄存器（
AC）：累加器，通用寄存器，为ALU提供了一个工作区。 - 数据缓冲寄存器（
DR）：为CPU和内存、外围设备之间数据传送的中转站、缓冲。 - 状态条件寄存器（
PSW）：包括状态标准和控制标志，例如进位(C)、溢出(V)、运算结果为0（Z）、运算结果为负值（N）、中断（I）等。
控制器
控制器用于控制整个CPU的工作。一般包括：
- 指令寄存器（
IR）：当CPU执行一条指令时，先把它从内存中取到DR，然后送入IR暂存。指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他部件完成工作。 - 程序计数器（
PC）: 又称之为指令计数器，PC有寄存信息和计数两个功能。执行指令时，CPU将自动修改PC内容，使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。 - 地址寄存器（
AR）: 保存了当前CPU所访问内容单元的地址，直到对内存的读写操作完成。 - 指令译码器（
ID）: 指令分为操作码和地址码两部分。ID是对指令中的操作码字段进行分析解释，识别指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件完成工作。
其他还包括：
- 时序控制器：为每条指令按时间顺序提供有效的控制信号。
- 总线逻辑：信息通路的控制电路。
- 中断控制器：用于控制各种中断请求，并根据优先级进行排队，逐个交给CPU处理。
- e.t.c
流水线技术
CPU可以有分开的取值单元、解码单元、和执行单元。也就是说，不必等到一条指令从头到尾执行完毕后再开始处理下一条指令。三级流水线其示意图为：
// 流水线技术
^
| X : 取指流水线
| Y : 解码流水线
| Z : 执行流水线
|
|
+-------+ +------+------+-----------------+-----+
X | 1 | 2 | ... | n |
+-------+ +----------+------+-------------+----------+
Y | | 1 | | 2 | ... | n |
+-------+ | +------+---------+-----+-----+-+---------+
Z | | 1 | 2 | 3 | ... | | n | 时间
+-------+ +-----------------+-----+-----+-----+------------------>
|XXXXXX|YYY| |ZZZZ|
|XXXXXX|YYY| |ZZZZ|
+----------+ +----+
在某个时刻，第一条指令取指完成（对应图中XXXXXX标注区域），解码流水线立即开始第一条指令的解码，同时取指流水线开始对第二条指令的取指；第一条指令的解码操作完成之后（对应图中YYYY标注区域），执行流水线开始对第一条指令的执行操作，同时解码流水线等待第二条指令送达。