成人做爰黄a片免费看直播蜜臀_ CPU 是如何工作的？

CPU（中央處理器），也被稱(chēng)為微處理器，是計算機的心臟和/或大腦。本文讓我們一起深入了解計算機的核心，以幫助我們高效地編寫(xiě)計算機程序。

作者 | Milap Neupane

譯者 | 蘇本如，責編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下為譯文：

“工具通常比機器簡(jiǎn)單，通常用手來(lái)使用，而機器通常由動(dòng)物或蒸汽動(dòng)力驅動(dòng)?！?/section>

——查爾斯·巴貝奇

計算機是一種機器，主要由電力驅動(dòng)，但其靈活性和可編程性幫助實(shí)現了其作為一種工具的簡(jiǎn)單性。

CPU是計算機的心臟和/或大腦。負責執行提供給它們的指令。它的主要任務(wù)是執行算術(shù)和邏輯運算，并將指令協(xié)調在一起。在深入到本文的主要部分之前，讓我們先看看CPU的主要組成部分，以及它們的作用分別是什么。

CPU的兩個(gè)主要組成部分

控制單元?—?CU

控制單元（CU）是CPU的一部分，它幫助協(xié)調指令的執行。它告訴CPU應該做什么。它的主要職責是根據指令，幫助激活連接CPU和計算機其他不同部件（包括ALU）的線(xiàn)路?？刂茊卧荂PU的第一個(gè)接收處理指令的部件。

控制單元有兩種類(lèi)型：

硬接線(xiàn)控制單元。
微型可編程（微編程）控制單元。

硬接線(xiàn)控制單元是一種硬件，它需要在硬件上進(jìn)行更改以實(shí)現對其工作方式的修改，而微型可編程控制單元則可以進(jìn)行編程以更改其工作方式。硬接線(xiàn)控制單元在處理指令方面更快，而微型可編程控制單元則更靈活。

算術(shù)邏輯單元 —? ALU

算術(shù)邏輯單元（ALU），顧名思義，就是負責所有的算術(shù)和邏輯運算。算術(shù)邏輯單元執行加法運算，減法運算等操作。算術(shù)邏輯單元是由執行這些操作的邏輯電路或邏輯門(mén)組成。

大多數邏輯門(mén)接受兩個(gè)輸入并產(chǎn)生一個(gè)輸出。

下面是一個(gè)半加法器電路的例子，它接受兩個(gè)輸入并輸出結果。這里A和B是輸入，S是輸出，C是進(jìn)位。

半加法器電路圖

存儲 - 寄存器和存儲器

CPU的主要任務(wù)是執行提供給它的指令。在大多數情況下，為了處理這些指令，它需要數據。有些數據是中間數據，有些是輸入，另一些是輸出。這些數據連同指令一起存儲在下列存儲器中：

寄存器

寄存器是一組可以存儲數據的小地方。寄存器是鎖存器（Latches）的組合。鎖存器也稱(chēng)為觸發(fā)器（flip-flops），是存儲1位信息的邏輯門(mén)的組合。

鎖存器有一條輸入線(xiàn)，一條寫(xiě)入和輸入線(xiàn)，和一條輸出線(xiàn)。我們可以啟用寫(xiě)入線(xiàn)對存儲的數據進(jìn)行更改。當寫(xiě)入線(xiàn)被禁用時(shí)，輸出始終保持不變。

SR鎖存器，由一對交叉耦合的或非門(mén)(NOR Gates)構成。

CPU由寄存器來(lái)存儲輸出數據。由于是中間數據，它們被發(fā)送到主存儲器（RAM）的速度會(huì )慢。這些數據被發(fā)送到由總線(xiàn)連接的其它寄存器。寄存器可以存儲指令、輸出數據、存儲地址或任何類(lèi)型的數據。

存儲器(RAM)

RAM - 隨機存取存儲器是寄存器的集合，它們以?xún)?yōu)化的方式排列和壓縮在一起，以便存儲更多的數據。隨機存取存儲器（RAM）是易失性的，當我們關(guān)閉電源時(shí)，它存儲的數據會(huì )丟失。由于RAM是用于讀/寫(xiě)數據的寄存器的集合，因此RAM可以用于存儲8位地址的輸入、用于存儲實(shí)際數據的數據輸入，和用于儲存最后的和鎖存器一樣工作的讀寫(xiě)啟用碼。

什么是指令

指令是計算機可以執行的最小粒度運算。CPU可以處理各種類(lèi)型的指令

指令類(lèi)型包括：

算術(shù)運算指令，如加法和減法運算
邏輯運算指令，如邏輯與（AND）、邏輯或（OR）和邏輯非（NOT）運算
數據傳送指令，如數據移動(dòng)、輸入、輸出、加載和存儲
程序控制指令，如條件/無(wú)條件轉移指令（if…goto，goto），轉子指令和轉移指令（call，return）
通知CPU程序已結束的Halt指令

指令通過(guò)以下方式提供給計算機：使用匯編語(yǔ)言直接提供，或由編譯器生成，或用某些高級語(yǔ)言解釋給出。

這些指令在CPU內部是硬連線(xiàn)的。算術(shù)和邏輯運算指令包括在A(yíng)LU（算術(shù)邏輯單元）中，而程序控制指令由CU（控制單元）管理。

通常在一個(gè)時(shí)鐘周期（clock cycle）內，計算機可以執行一個(gè)指令，但是現代的計算機可以同時(shí)執行多個(gè)指令。

計算機可以執行的一組指令稱(chēng)為指令集。

CPU時(shí)鐘

時(shí)鐘周期

計算機的速度由其時(shí)鐘周期(Clock cycle)衡量。它是指計算機每秒工作的時(shí)鐘周期數。單個(gè)時(shí)鐘周期非常小，大約250*10^(-12)秒。每秒時(shí)鐘周期數越高，處理器速度越快。

CPU時(shí)鐘頻率(clock rate)的測量單位為GHz（千兆赫茲）。1Ghz等于10 ?Hz（赫茲）。一赫茲意味著(zhù)一秒鐘。所以一千兆赫茲意味著(zhù)每秒10 ?個(gè)時(shí)鐘周期。

時(shí)鐘周期越小，CPU可以執行的指令數量越多。時(shí)鐘周期等于時(shí)鐘頻率的倒數，而CPU時(shí)間=時(shí)鐘周期數/時(shí)鐘頻率

這意味著(zhù)為了改進(jìn)（減少）CPU時(shí)間，我們可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率，或優(yōu)化我們提供給CPU的指令來(lái)減少指令需要的時(shí)鐘周期的數量。一些處理器提供了提高時(shí)鐘頻率的能力，但由于這是一個(gè)物理變化，可能會(huì )出現過(guò)熱，甚至冒煙/起火。

指令是如何執行的

指令按順序存儲在隨機存取存儲器（RAM）上。對于一個(gè)假設的CPU指令，它由操作碼（OP code）和存儲器或寄存器地址組成。

控制單元（CU）內有兩個(gè)寄存器：用于加載指令操作碼的指令寄存器（IR），和用于加載當前正在執行的指令地址的指令地址寄存器。CPU中還有其他寄存器，用于存儲一個(gè)指令的最后4位的地址中存儲的值。

讓我們以一組實(shí)現兩個(gè)數字相加操作的指令為例。下面是這些指令及其說(shuō)明：

第一步 - LOAD_A 8：

該指令最初保存在RAM中，比如說(shuō)指令<1100 1000>。它的前4位是操作碼。這決定了這個(gè)指令要做什么。然后該指令被讀取到控制單元的指令寄存器（IR）中。指令被譯碼為load_A，這意味著(zhù)它需要加載地址1000中的數據，地址1000是存儲在寄存器A中的指令的后4位。

第二步 - LOAD_B 2:

與上面類(lèi)似，它將內存地址2（0010）中的數據加載到CPU的寄存器B中。

第三步 – ADD B A

接下來(lái)的這條指令是把這兩個(gè)數字相加。在這里，控制單元（CU）告訴算術(shù)邏輯單元（ALU）執行加法操作并將結果保存回寄存器A中。

第4步 – STORE_A 23

將結果保存回寄存器A中。

這是一組非常簡(jiǎn)單的指令，實(shí)現了兩個(gè)數字的相加操作。

現在，我們成功地得到了兩個(gè)數字相加的和值！

總線(xiàn)

CPU，寄存器，存儲器和IO設備之間的所有數據都通過(guò)總線(xiàn)傳輸。要將剛才兩數相加得到的和數保存到存儲器中，CPU將存儲器地址放入地址總線(xiàn)，將得到的結果（和數）放入數據總線(xiàn)，然后在控制總線(xiàn)中啟用正確的信號。這樣，數據在總線(xiàn)的幫助下被保存到存儲器中。

計算機系統總線(xiàn)

緩存

CPU還具有將指令預取到其緩存中的機制。我們知道，一個(gè)處理器可以在一秒鐘內完成數百萬(wàn)條指令。這意味著(zhù)從存儲器（RAM）中獲取指令所花費的時(shí)間比執行指令所花費的時(shí)間要多。所以CPU會(huì )預取一些指令和數據到其緩存中，以加快執行速度。

如果緩存中的數據和操作內存中的數據不同，則將數據標記為臟位（dirty bit）。

指令流水線(xiàn)

現代CPU在指令執行中采用指令流水線(xiàn)技術(shù)實(shí)現取指（FI）、譯碼（DI）、執行（EI）的并行化。當一條指令完成“取指”后進(jìn)入“譯碼”的同時(shí)，下一條指令就可以進(jìn)行“取指”了，這樣就提高了指令的執行效率。

指令流水線(xiàn)技術(shù)

然而，當一條指令和另一條指令有依賴(lài)關(guān)系時(shí)，這種技術(shù)會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。所以，指令流水線(xiàn)技術(shù)只能夠讓處理器以不同的順序執行相互之間沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系的指令。

多核計算機

它基本上是有不同的CPU，但是有一些共享資源，比如緩存等。

性能

CPU的性能取決于它的執行時(shí)間。性能=1/執行時(shí)間

假設一個(gè)程序執行需要20毫秒。CPU性能為1/20=0.05ms。相對性能=執行時(shí)間1/執行時(shí)間2

影響CPU性能的因素是指令執行時(shí)間和CPU的時(shí)鐘速度（時(shí)鐘頻率）。因此，為了提高程序的性能，我們要么提高CPU的時(shí)鐘速度（時(shí)鐘頻率），要么減少程序中的指令數量。處理器的速度有限，現代多核計算機每秒可以支持數百萬(wàn)條指令。但是，如果我們編寫(xiě)的程序有太多的指令，就將導致整體性能的降低。

大O符號（Big O notation）計算方法可以用來(lái)確定在給定輸入的情況下CPU的性能將如何受到影響。

為了盡可能地提高CPU的速度，很多優(yōu)化工作已經(jīng)在CPU中進(jìn)行。而我們在編寫(xiě)任何程序時(shí)，都需要考慮如何盡可能地減少我們提供給CPU的指令數量，以提高計算機程序的性能。

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