计算机体系结构原理——数据操控（CPU工作原理）

CPU：计算机中控制数据操控的电路，称为CPU。Central Processing Unit。中央处理器，简称为处理器。电子电路元器件方面的硬件这里就不多谈了。主要说说内部构造，软件层面上的东西。CPU，主要由三部分构成：1.算术/逻辑单元，主要执行数据的运算，2.控制单元，协调机器的各项活动。3.寄存器单元，作为CPU内部数据信息临时的存储。其中寄存器分为通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器很好理解，就是作为一个存储单元，存储大多数的数据信息。而专用寄存器，则是用来存储特定的一些数据信息的。例如：指令寄存器和程序计数器。由此看来CPU内部可以存储一些临时数据，但是数量较少，而且是临时性的。所以独立于CPU之外，需要有一个容量较大的存储器。作为数据的存储。其大致结构如下：



主存储器作为一个可以存储大量数据的一个存储介质，由总线和CPU连接。

CPU可以识别二进制模式编码的指令，这些指令称为机器指令。CPU的设计大概分为两个方向，一种是CPU只需要执行一些最小的机器指令，称作精简指令集CPU——RISC，这样的设计，效率高，速度快，造价便宜。另外一种是可以执行大量复杂的指令，复杂的指令，有时更容易处理一些复杂的问题，称作复杂指令集CPU——CISC，而复杂的指令也是由最基本的指令所做成的，所以本质上两者并没有区别。机器指令主要分为三种：1.数据传输类，主要实现各个位置间的数据传输。2.算术/逻辑类，主要实现数据的逻辑运算。3.控制类，包括指导程序执行而非数据操作的指令，例如：转移指令，既，根据运算结果进行的条件转移。

一条指令是有16位二进制编码构成的，也就是4个16进制的数字。而一条指令，分为两部分，第一部分，由四个二进制数字构成。成为操作码字段，主要负责表明，要进行的操作是一个什么样的操作，也就是具体的指令。后面的12个二进制数字，成为操作数字段，主要表示的是指令操作的数据的内容，和数据处理之后存储的地址。这里的内容是用具体的数据存放的地址表示的。所以，通俗的理解就是：操作码字段作为指令告诉CPU，接下来要进行一个什么样的操作。后面操作数字段告诉CPU，你操作的是哪些数据，怎么处置运算之后的数据。

CPU工作的是时候，两个专用寄存器发挥着至关重要的作用，指令寄存器，主要用来存放指令的地方；程序计数器，记录的是下一个代执行指令的地址，CPU的具体工作原理，CPU重复执行一个算法来完成工作——机器周期，这个周期进行三个步骤，1.取指，根据村工序计数器规定的地址取得指令，然后增加程序计数器的指，2.译码，对指令寄存器中的指令进行解析。3.执行，执行指令寄存器中的指令所要做的事情。然后不断的重复取指、译码、执行三个步骤。因为每次取指之后都会增加程序计数器的值，所以，会不断的取得新的指令进行译码，执行。