CPU 工作原理（附詳細圖解） CPU簡介

🌸學習目標🌸

本章我們將從軟體工程師的角度去了解計算機是如何工作的，通過對計算機核心工作機制的學習，有利於理解我們平時編程時的一些行為，動作的歷史淵源。

在學習 CPU（中央處理器）之前，我們先來簡單的了解一下💻計算機💻的發展歷史。

讓我們一起出發吧！！！😀😀😀

一. 計算機發展史 計算機（computer）俗稱電腦，是現代一種用於高速計算的電子計算機器，可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智慧電子設備。計算機的發展大體經歷了從一般計算工具到機械計算機到目前的電子計算機的發展歷程。

馮諾依曼體系（Von Neumann Architecture）

約翰·馮·諾依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利數學家，計算機科學家，物理學家，是20世紀最重要的數學家之一。馮·諾依曼是羅蘭大學數學博士，是現代計算機，博弈論，核武器和生化武器等領域內的科學全才之一，被後人稱為「現代計算機之父」、「博弈論之父」。

現代的計算機, 大多遵守 馮諾依曼體系結構。

CPU，即中央處理器，是一台計算機的運算核心和控制核心。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟體中的數據。CPU由運算器、控制器、寄存器、高速緩存及實現它們之間聯繫的數據、控制及狀態的匯流排構成存儲器，分為外存和內存, 用於存儲數據(使用二進位方式存儲)輸入設備，用戶給計算機發號施令的設備輸出設備，計算機個用戶彙報結果的設備 二. CPU 的基本工作過程 CPU = ALU ➕ CU

ALU 算術邏輯單元（Arithmetic&logical Unit）：是中央處理器(CPU)的執行單元，是所有中央處理器的核心組成部分，由"And Gate"（與門） 和"Or Gate"（或門）構成的算術邏輯單元，主要功能是進行二位元的算術運算，如加減乘(不包括整數除法)。基本上，在所有現代CPU體系結構中，二進位都以補碼的形式來表示。

CU 控制單元（Control Unit）：負責程序的流程管理。控制單元是整個 CPU 的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令解碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三個部件組成，對協調整個電腦有序工作極為重要。

我們用一個例子來說明一下：假設 CPU 是一個工廠，一個核心就是工廠的一個車間

那麼運算器 就是工廠里的普工，只負責生產（運算）

而 寄存器 呢，就是一個工具人，有時需要傳遞信息（數據），有時需要搬運物資（數據）。

控制器則是車間主管，管理調劑所有普工和工具人，壓榨他們的勞動價值。

直到有一天，工廠發現一個車間（核心）效率不夠，就只能增加車間（核心）來提高整個工廠效率。

但是，漸漸的，又有新問題出現，工具人雖然效率高，但是數量不多，而隨著越來越多的原材料（數據）湧入，工具人搬不過來。這時工廠就整了一個小板車（cache），專門用來運輸、寄存工具人搬不過來的數據，而且各工廠可以共享其中一部分（intel 的 L3 cache）。

隨著車間數量（核心數目）增加到八，工廠發現有些時候出貨量挺高的（全車間都開工），但有些時候只有一兩個個車間開工，其它車間都在圍觀（調度問題）。

而且整個工廠一起開工，用電量和發熱量也急劇上升，但是各車間的效率（頻率）就是上不去，此外，還要擔心電力供給、散熱、物資（數據）運輸等各類問題。

終於，在投入了大研發后，工廠的廠房布局設計（架構）有了大改進。

各部門之間的交通更便利了；並且，工廠也重新招聘短小精悍的工人（提升製程工藝），將以前那種牛高馬大，光吃不幹的大塊頭全部淘汰了。至此，同樣大的車間，能融入