篇一：商用cpu的运算器的工作原理
——题目：商用cpu的运算器的工作原理
姓名：李生茂
学号：
二O一三年七月一日
商用cpu的运算器的工作原理
众所周知，CPU包括运算器和控制器两个部分，其意如字，控制器用来控制电脑各部件的工作，运算器是来运算数据，也可以抽象的说控制器是（指挥官）运算器（士兵），指挥官分配任务后，叫士兵去执行，士兵执行完后，把东西分到个部门，cpu是用晶体管的开合来处理数据的，就是把从内存进来的数据转变成0和1来进行计算。控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR等组成。控制器本质上是复杂的时序控制电路，CPU从程序存储器取得指令后放入指令寄存器，然后用指令译码器对指令进行译码，并发出各种控制信号，从而使计算机的各硬件部分按照时钟信号的节拍协调一致、互相配合，最终实现各种功能。
相对控制器而言，而运算器实现的功能则是执行所有的算术运算和逻辑运算，并进行逻辑测试。它是由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。
运算器接受控制器的命令从而运行 ，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的所以它是执行部件，其中算术逻辑单元、累加器和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。运算器ALU负责对数据进行算术和逻辑运算。计算机系统的其他部分寄存器、存储器以及I/O设备把待处理的数据输入到ALU中进行处理，然后把运算结果输出，同时设置标志位。
首先是算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit, ALU)，ALU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" 和"Or Gate"构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二进制的算术运算，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，二进制都以二补数的形式来表示。
ALU可以实现8位二进制数据的加、减、乘、除等算术运以及逻辑与（&）、逻辑或（||）、逻辑异或、清零、取反等逻辑运算，并可实现数据传送、循环移位、测试跳转等功能。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，算出来的结果的有效数位可能较长，所以说必须要截取一定的有效数位，由此而产生最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。
运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。
对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位，则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称
为串 并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。操作运算器能执行多少种操作和操作速度，标志着运算器能力的强弱，甚至标志着计算机本身的能力。运算器最基本的操作是加法。一个数与零相加，等于简单地传送这个数。将一个数的代码求补，与另一个数相加，相当于从后一个数中减去前一个数。将两个数相减可以比较它们的大小。接收并保存一个操作数的接收寄存器；保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器；在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。
按照数据的不同表示方法，可以有二进制运算器、十进制运算器、十六进制运算器、定点整数运算器、定点小数运算器、浮点数运算器等。按照数据的性质，有地址运算器和字符运算器等。
为了减少对存储器的访问，很多计算机的运算器设有较多的寄存器，存放中间计算结果，以便在后面的运算中直接用作操作数。
为了提高运算速度，某些大型计算机有多个运算器。它们可以是不同类型的运算器，如定点加法器、浮点加法器、乘法器等，也可以是相同类型的运算器。
左右移位是运算器的基本操作。在有符号的数中，符号不动而只移数据位，称为算术移位。若数据连同符号的所有位一齐移动，
称为逻辑移位。若将数据的最高位与最低位链接进行逻辑移位，称为循环移位。 运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行二值代码的16种逻辑操作。乘、除法操作较为复杂。很多计算机的运算器能直接完成这些操作。乘法操作是以加法操作为基础的，由乘数的一位或几位译码控制逐次产生部分积，部分积相加得乘积。除法则又常以乘法为基础，即选定若干因子乘以除数，使它近似为1，这些因子乘被除数则得商。没有执行乘法、除法硬件的计算机可用程序实现乘、除，但速度慢得多。有的运算器还能执行在一批数中寻求最大数，对一批数据连续执行同一种操作，求平方根等复杂操作。
之后就是累加寄存器了，累加寄存器（AC）通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。累加器A是一个8位的寄存器，是CPU中使用最为频繁的寄存器。在算术运算和逻辑运算指令中一般用累加器A来存放参与运算的一个操作数和运算结果，一些特殊的运算如移位、取反等只能对累加器A中的数据进行。寄存器B也是一个8位的寄存器，主要用于配合累加器A实现乘法和除法运算。在乘法运算中，寄存器B存放一个乘数和乘积的高字节。其功能是：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。例如，在执行一个加法运算前，先将一个操作数暂时存放在AC中，再从内存中取出另一操作数，然后同AC的内容相加，所得的结果送回AC中，而AC中原有的内容随即被破坏。因此，顾名思义，累加寄存器是暂时存放ALU运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个
篇二：CPU工作原理经典
CPU的原始工作模式
在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。
但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。
看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。
CPU的内部结构
现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢？
1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)
ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。
2.寄存器组 RS(Register Set或Registers)
RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用
寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。
3.控制单元(Control Unit)
正如工厂的物流分配部门，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0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。
4.总线(Bus)
就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。
CPU的工作流程
由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称
是:Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。
数据与指令在CPU中的运行
刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。
我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。
假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。
基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。
如何提高CPU工作效率
既然CPU的主要工作是执行指令和处理数据，那么工作效率将成为CPU的最主要内容，因此，各CPU厂商也尽力使CPU处理数据的速度更快。
根据CPU的内部运算结构，一些制造厂商在CPU内增加了另一个算术逻辑单元(ALU)，或者是另外再设置一个处理非常大和非常小的数据浮点运算单元(Floating Point Unit，FPU)，这样就大大加快了数据运算的速度。
而在执行效率方面，一些厂商通过流水线方式或以几乎并行工作的方式执行指令的方法来提高指令的执行速度。刚才我们提到，指令的执行需要许多独立的操作，诸如取指令和译码等。最初CPU在执行下一条指令之前必须全部执行完上一条指令，而现在则由分布式的电路各自执行操作。也就是说，当这部分的电路完成了一件工作后，第二件工作立即占据了该电路，这样就大大增加了执行方面的效率。
另外，为了让指令与指令之间的连接更加准确，现在的CPU通常会采用多种预测方式来控制指令更高效率地执行。
CPU的工作原理浅析
一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。 计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,
它们是由各种实在的器件所组成，是计算机进行工作的物质基础。计算机硬件系统中最重要的组成部分是中央处理器(CPU ) 。
（一）CPU的基本概念和组成
中央处理器简称CPU(Central Processing Unit),它是计算机系统的核心,主要包括运算器和控制器两个部件。如果把计算机比作一个人，那么CPU就是心脏，其重要作用由此可见一斑。CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，三个部分相互协调，便可以进行分析，判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
计算机发生的所有动作都是受CPU控制的。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算( 如逻辑加、逻辑乘和非运算);
而控制器不具有运算功能,它只是读取各种指令,并对指令进行分析,作出相应的控制。通常,在CPU中还有若干个寄存器,它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。
我们常说的CPU都是X86系列及兼容CPU ,所谓X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU— i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium Ⅲ系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。
另外除Intel 公司之外，AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用X86指令集的CPU，由于这些CPU能运行所有的为Intel CPU所开发的各种软件，所以电脑业内人士就将这些CPU列为Intel的CPU兼容产品。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。
（二）CPU主要技术参数
CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次，而 CPU的主要技术特性可以反映出CPU的大致性能。
1、位、字节和字长
CPU可以同时处理的二进制数据的位数是其最重要的一个品质标志。人们通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的C
PU可以同时处理16位、32位的二进制数据。早期有代表性的IBM PC/XT、IBM PC/AT与
286机是16位机,386机和486机是32位机,586机则是64位的高档微机。
CPU按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等。
位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是 “0”或是“1”在CPU中都是一“位”。
字节和字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字节的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个宇节，而32位的CPU一次就能处理4个宇节，同理字长为64位的
C PU一次可以处理8个字节。
2、CPU外频
CPU外频也就是常见特性表中所列的CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率，而CPU的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。在Pentium时代，
CPU的外频一般是60／66MHz，从Pentium II
350开始，CPU外频提高到1O0MHz。由于正常情况下CPU总线频率和内存总线频率相同，所以当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高，对提高电脑整体运行速度影响较大。
3、前端总线(FSB)频率
前端总线也就是以前所说的CPU总线，由于在目前的各种主板上前端总线频率与内存总线频率相同，所以也是 CPU与内存以及L2
Cache（仅指Socket
篇三：CPU由运算器
CPU由运算器(包括浮点运算器)、控制器、Cache(内部Cache、寄存器)等组成
控制器：由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、时序产生器、操作控制器等组成
控制器的主要功能：(1)、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置(PC、IR)
(2)、对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作(ID)
(3)、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向(时序产生器、操作控制器)
运算器：由ALU、累加器(AC)、数据缓冲寄存器(DR)、状态条件寄存器组成运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，是执行部件：(1)、执行所有的算术运算(2)、执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
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