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6ES7-322-1HH01-0AA0

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CPU是電腦中的核心配件。電腦中所有操作都由CPU負責讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。

  中央處理器 - 基本簡介

  中央處理器(Central Processing Unit，CPU)，是電子計算機的主要設備之一。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計算機的可編程性主要是指對CPU的編程。CPU、內部存儲器和輸入/輸出設備是現(xiàn)代電腦的三大核心部件。由(zh-hans：集成電路;zh-hant:積體電路)制造的CPU，20世紀70年代以前，本來是由數(shù)個獨立單元構成，後來發(fā)展出微處理器把CPU復雜的電路可以作成單一微小功能強大的單元。

  “中央處理器”這個名稱，是對一系列可以執(zhí)行復雜的-(zh-hans:計算機程序;zh-hant:電腦程式)-的邏輯機器的描述。這個空泛的定義很容易的將在“CPU”這個名稱被普遍使用之前的早期的計算機也包括在內。無論如何，至少從20世紀60年代早期開始，這個名稱及其縮寫已開始在電子計算機產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應用。盡管與早期相比，“中央處理器”在物理形態(tài)、設計制造和具體任務的執(zhí)行上有了戲劇性的發(fā)展，但是其基本的操作原理一直沒有改變。

  早期的中央處理器通常是為大型及特定應用的計算機而訂制。但是，這種昂貴為特定應用定制CPU的方法很大程度上已經(jīng)讓位于開發(fā)便宜、標準化、適用于一個或多個目的的處理器類。這個標準化趨勢始于由單個晶體管組成的大型機和微機年代，隨著集成電路的出現(xiàn)而加速。IC使得更為復雜的CPU可以在很小的空間中設計和制造(在微米的量級)。CPU的標準化和小型化都使得這一類數(shù)字設備(港譯-電子零件)在現(xiàn)代生活中的出現(xiàn)頻率遠遠超過有限應用專用的計算機?，F(xiàn)代微處理器出現(xiàn)在包括從汽車到手機到兒童玩具在內的各種物品中。

  中央處理器 - 組成結構

中央處理器CPU包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。中央處理器從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作系列，從而完成一條指令的執(zhí)行。指令是計算機規(guī)定執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)的基本命令。

  ①運算邏輯部件?？梢詧?zhí)行定點或浮點的算術運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址的運算和轉換。

  ②寄存器部件。包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定點數(shù)和浮點數(shù)兩類，它們用來保存指令中的寄存器操作數(shù)和操作結果。通用寄存器是中央處理器的重要組成部分，大多數(shù)指令都要訪問到通用寄存器。

  ③控制部件。主要負責對指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個操作的控制信號。其結構有兩種：一種是以微存儲為核心的微程序控制方式;一種是以邏輯硬布線結構為主的控制方式。

  中央處理器 - 運作原理

  CPU的主要運作原理，不論其外觀，都是執(zhí)行儲存於被稱為程式里的一系列指令。在此討論的是遵循普遍的-(zh-hans：馮·諾伊曼;zh-hant:馮·紐曼)-架構設計的裝置。程式以一系列數(shù)字儲存在電腦記憶體中。差不多所有的-(zh-hans：馮·諾伊曼;zh-hant:馮·紐曼)-CPU的運作原理可分為四個階段：提取(fetch)、解碼(decode)、執(zhí)行(execute)和寫回(writeback)。

  階段，提取，從程式記憶體中檢索指令(為數(shù)值或一系列數(shù)值)。由程式計數(shù)器(PC)程式記憶體的位置，程式計數(shù)器保存供識別目前程式位置的數(shù)值。換言之，程式計數(shù)器記錄了CPU在目前程式里的蹤跡。提取指令之後，PC根據(jù)指令式長度增加記憶體單元。指令的提取常常必須從相對較慢的記憶體尋找，導致CPU等候指令的送入。這個問題主要被論及在現(xiàn)代處理器的快取和管線化架構(見下)。

  CPU根據(jù)從記憶體提取到的指令來決定其執(zhí)行行為。在解碼階段，指令被拆解為有意義的片斷。根據(jù)CPU的指令集架構(ISA)定義將數(shù)值解譯為指令。一部分的指令數(shù)值為運算碼(opcode)，其指示要進行哪些運算。其它的數(shù)值通常供給指令必要的資訊，諸如一個加法(addition)運算的運算目標。這樣的運算目標也許提供一個常數(shù)值(即立即值)，或是一個空間的定址值:暫存器或記憶體位址，以定址模式?jīng)Q定。在舊的設計中，CPU里的指令解碼部分是無法改變的硬體裝置。不過在眾多抽象且復雜的CPU和ISA中，一個微程式時常用來幫助轉換指令為各種形態(tài)的訊號。這些微程式在已成品的CPU中往往可以重寫，方便變更解碼指令。

在提取和解碼階段之後，接著進入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。例如，要求一個加法運算，算數(shù)邏輯單元(ALU，arithmetic logic unit)將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而且在輸出將含有總和結果。ALU內含電路系統(tǒng)，以於輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算(比如加法和位元運算)。如果加法運算產(chǎn)生一個對該CPU處理而言過大的結果，在標志暫存器里，運算溢出(arithmetic overflow)標志可能會被設置(參見以下的數(shù)值精度探討)。

  *終階段，寫回，以一定格式將執(zhí)行階段的結果簡單的寫回。運算結果極常被寫進CPU內部的暫存器，以供隨後指令快速存取。在其它案例中，運算結果可能寫進速度較慢，但容量較大且較便宜的主記憶體。某些類型的指令會操作程式計數(shù)器，而不直接產(chǎn)生結果資料。這些一般稱作“跳轉”(jumps)并在程式中帶來循環(huán)行為、條件性執(zhí)行(透過條件跳轉)和函式。許多指令也會改變標志暫存器的狀態(tài)位元。這些標志可用來影響程式行為，緣由於它們時常顯出各種運算結果。例如，以一個“比較”指令判斷兩個值的大小，根據(jù)比較結果在標志暫存器上設置一個數(shù)值。這個標志可藉由隨後的跳轉指令來決定程式動向。

  在執(zhí)行指令并寫回結果資料之後，程式計數(shù)器的值會遞增，反覆整個過程，下一個指令周期正常的提取下一個順序指令。如果完成的是跳轉指令，程式計數(shù)器將會修改成跳轉到的指令位址，且程式繼續(xù)正常執(zhí)行。許多復雜的CPU可以一次提取多個指令、解碼，并且同時執(zhí)行。這個部分一般涉及“經(jīng)典RISC管線”，那些實際上是在眾多使用簡單CPU的電子裝置中快速普及(常稱為微控制器

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