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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，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。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專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。(圖)
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