Linux系統(tǒng)CPU的內(nèi)部架構(gòu)和工作原理

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CPU發(fā)展歷程

1968年7月18日，鮑勃-諾斯和戈登-摩爾的新公司在美國(guó)加利福尼亞州，美麗的圣弗朗西斯科灣畔芒延維尤城的梅多費(fèi)大街365號(hào)開(kāi)張了。并在成立不久斥資15000美元從一家叫INTELCO的公司手中買(mǎi)下了Intel名稱的使用權(quán)。由此Intel這位半導(dǎo)體巨人開(kāi)始了他在IT行業(yè)傳奇般的歷史。

1971年11月15日，這一天被當(dāng)作全球IT界具有里程碑意義的日子而被寫(xiě)入許多計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教科書(shū)。Intel公司的工程師特德·霍夫發(fā)明了世界上第一個(gè)微處理器—4004，這款4位微處理器雖然只有45條指令，而且每秒只能執(zhí)行5萬(wàn)條指令。甚至比不上1946年由美國(guó)陸軍賓夕法尼亞大學(xué)研制的世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC。但它的集成度卻要高很多，一塊4004的重量還不到一盅司。  他因發(fā)明了微處理器，被英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志稱為“第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)最有影響的科學(xué)家之一”。Intel公司的CPU發(fā)展歷程如下表所示：

以及后面的Pentium 1,2,3和4，再到酷睿、酷睿2，這里就不再一一列舉。

Intel從8086開(kāi)始，就進(jìn)入了我們所謂的x86時(shí)代。而80386的誕生則標(biāo)志著Intel正是進(jìn)入了32位微處理器的時(shí)代。從80386到Pentium  4這個(gè)年代的CPU，就是傳說(shuō)中的IA-32時(shí)代。

cpu工作原理

我們都知道CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)最終都是一串由“0”和“1”組成的序列。CPU從邏輯上可以劃分成3個(gè)模塊，分別是控制單元、運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來(lái)。

如下所示：

控制單元：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OC(Operation  Controller)等，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。

運(yùn)算單元：是運(yùn)算器的核心?？梢詧?zhí)行算術(shù)運(yùn)算(包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)算)和邏輯運(yùn)算(包括移位、邏輯測(cè)試或兩個(gè)值比較)。相對(duì)控制單元而言，運(yùn)算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

存儲(chǔ)單元：包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，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。

將上圖細(xì)化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：

總的來(lái)說(shuō)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。

總結(jié)

CPU的運(yùn)行原理：控制單元在時(shí)序脈沖的作用下，將指令計(jì)數(shù)器里所指向的指令地址(這個(gè)地址是在內(nèi)存里的)送到地址總線上去，然后CPU將這個(gè)地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對(duì)于執(zhí)行指令過(guò)程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會(huì)將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲(chǔ)單元(就是內(nèi)部寄存器)暫存起來(lái)，最后命令運(yùn)算單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。周而復(fù)始，一直這樣執(zhí)行下去，直到停電。

到此，相信大家對(duì)“Linux系統(tǒng)CPU的內(nèi)部架構(gòu)和工作原理”有了更深的了解，不妨來(lái)實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！