电脑系统核心原理-电脑的核心层次

1.计算机工作原理

2.cpu是什么？

3.简述计算机的工作原理

4.微机硬件系统中最核心的部位

计算机工作原理

计算机工作原理　　计算机的基本原理

计算机的基本原理是存贮程序和程序控制。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存贮器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去，直至遇到停止指令。

程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

**计算机的存储程序工作原理和硬件系统

冯·诺依曼结构

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼结构（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，其特点是：

1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2）存储单元是定长的线性组织。

3）存储空间的单元是直接寻址的。

4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5）对计算进行集中的顺序控制。

6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。

7）彩二进制形式表示数据和指令。

8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据道德从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

这就是存储程序概念的基本原理。

计算机指令

计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，管为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令。其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令。整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

计算机的工作原理

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在以后的内容中将会着重介绍。

（一）计算机硬件系统

硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据众输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器

CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器

控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令指针寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指纹操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器

运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

（二）存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。

RAM

RAM是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电是存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。

ROM

ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内可以反复更改。

特殊固态存储器

包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。

此外，描述内、外存储容量的常用单位有：

①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。

②字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte＝8bit。

③千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB＝1024Byte。

④兆字节（MB　Mega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB＝1024KB。

⑤吉字节（GB、Giga Byte）：目前市场流行的微机的硬盘已经达到4.3GB、6.4GB、8.1GB、12G、13GB等规格。1GB＝1024MB。

⑥太字节（TB、Tera byte）：1TB＝1024GB。

（三）输入/输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。

输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（四）总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构如图2-3所示，通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。

（五）微型计算机主要技术指标

①CPU类型：是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。

②字长：是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，安长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

③时钟频率和机器周期：时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

④运算速度：是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）

⑤存取速度：是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而边连续两次或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

⑥内、外存储器容量：是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、软盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯·诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，目前这种现象已有所改善。

我们先从最早的计算机讲起，人们在最初设计计算机时采用这样一个模型：

人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告诉人们。

其实这个模型很简单，举个简单的例子，你要处理的信息是1+1，你把这个信息输入到计算机中后，计算机的内部进行处理，再把处理后的结果告诉你。

早期计算机的输入设备十分落后，根本没有现在的键盘和鼠标，那时候计算机还是一个大家伙，最早的计算机有两层楼那么高。人们只能通过扳动计算机庞大的面板上无数的开头来向计算机输入信息，而计算机把这些信息处理之后，输出设备也相当简陋，就是计算机面板上无数的信号灯。所以那时的计算机根本无法处理像现在这样各种各样的信息，它实际上只能进行数字运算。

当时人们使用计算机也真是够累的。但在当时，就算是这种计算机也是极为先进的了，因为它把人们从繁重的手工计算中解脱出来，而且极大地提高了计算速度。

随着人们对计算机的使用，人们发现上述模型的计算机能力有限，在处理大量数据时就越发显得力不从心。为些人们对计算机模型进行了改进，提出了这种模型：

就是在中央处理器旁边加了一个内部存储器。这个模型的好处在于。先打个比方说，如果老师让你心算一道简单题，你肯定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算20个三位数相乘，你心算起来肯定很费力，但如果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。

可能你会问这和计算机有什么关系？其实计算机也是一样，一个没有内部存储器的计算机如果让它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很多的中间的结果，但如果给它一些内部存储器当“草稿纸”的话，计算机就可以把一些中间结果临时存储到内部存储器上，然后在需要的时候再把它取出来，进行下一步的运算，如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。

随着时代的发展，人们越来越感到计算机输入和输出方式的落后，改进这两方面势在必行。在输入方面，为了不再每次扳动成百上千的开头，人们发明了纸带机。纸带机的工作原理是这样的，纸带的每一行都标明了26个字母、10个数字和一些运算符号，如果这行的字母A上面打了一个孔，说明这里要输入的是字母A，同理，下面的行由此类推。这样一个长长的纸带就可以代表很多的信息，人们把这个纸带放入纸带机，纸带机还要把纸带上的信息翻译给计算机，因为计算机是看不懂这个纸带的。

这样虽然比较麻烦，但这个进步确实在很大程度上促进了计算机的发展。在发明纸带的同时，人们也对输出系统进行了改进，用打印机代替了计算机面板上无数的信号灯。打印机的作用正好和纸带机相反，它负责把计算机输出的信息翻译成人能看懂的语言，打印在纸上，这样人们就能很方便地看到输出的信息，再也不用看那成百上千的信号灯了。

不过人们没有满足，他们继续对输入和输出系统进行改进。后来人们发明了键盘和显示器。这两项发明使得当时的计算机和我们现在使用的计算机有些类似了，而且在些之前经过长时间的改进，计算机的体积也大大地缩小了。键盘和显示器的好处在于人们可以直接向计算机输入信息，而计算机也可以及时把处理结果显示在屏幕上。

可是随着人们的使用，逐渐又发现了不如意之处。因为人们要向计算机输入的信息越来越多，往往要输入很长时间后，才让计算机开始处理，而在输入过程中，如果停电，那前面输入的内容就白费了，等来电后，还要全部重新输入。就算不停电，如果人们上次输入了一部分信息，计算机处理理了，也输出了结果；人们下一次再需要计算机处理这部分信息的时候，还要重新输入。对这种重复劳动的厌倦导致了计算机新的模型的产生。

这回的模型是这样的：

这回增加了一个外部存储器。外部存储器的“外部”是相对于内部存储器来说的，在中央处理器处理信息时，它并不直接和外部存储器打交道，处理过程中的信息都临时存放在内部存储器中，在信息处理结束后，处理的结果也存放在内部存储器中。可是如果这时突然停电，那些结果还会丢失的。内部存储器（或简称内存）中的信息是靠电力来维持的，一旦电力消失，内存中的数据就会全部消失。也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部存储器，把内存中的处理结果再存储到外部存储器中，这样停电后数据也不会丢失了。

外部存储器与内存的区别在于：它们的存储机制是不一样的，外部存储器是把数据存储到磁性介质上，所以不依赖于是否有电。这个磁性介质就好比家里的歌曲磁带，磁带上的歌曲不管有没有电都是存在的。当时人们也是考虑到了磁带这种好处，所以在计算机的外部存储器中也采用了类似磁带的装置，比较常用的一种叫磁盘。

磁盘本来是圆的，不过装在一个方的盒子里，这样做的目的是为了防止磁盘表面划伤，导致数据丢失。

有了磁盘之后，人们使用计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在磁盘中，还可以把很多输入到计算机中的数据存储到磁盘中，这样这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。

可是不久之后，人们又发现了另一个问题，人们要存储到磁盘上的内容越来越多，众多的信息存储在一起，很不方便。这样就导致了文件的产生。

这和我们日常生活中的文件有些相似。我们日常生活中的文件是由一些相关信息组成，计算机的文件也是一样。人们把信息分类整理成文件存储到磁盘上，这样，磁盘上就有了文件1、文件2……。

可是在使用过程中，人们又渐渐发现，由人工来管理越来越多的文件是一件很痛苦的事情。为了解决这个问题，人们就开发了一种软件叫操作系统。

其实操作系统就是替我们管理计算机的一种软件，在操作系统出现之前，只有专业人士才懂得怎样使用计算机，而在操作系统出现之后，不管你是否是计算机专业毕业，只要经过简单的培训，你都能很容易地掌握计算机。

有了操作系统之后，我们就不直接和计算机的硬件打交道，不直接对这些硬件发号施令，我们把要的事情告诉操作系统，操作系统再把要作的事情安排给计算机去作，等计算机做完之后，操作系统再把结果告诉我们，这样就省事多了。

在操作系统出现之前，人们通过键盘给计算机下达的命令都是特别专业的术语，而有了操作系统之后，人们和计算机之间的对话就可以使用一些很容易懂的语言，而不用去记硬背那些专业术语了。

操作系统不但能在计算机和人之间传递信息，而且字还负责管理计算机的内部设备和外部设备。它替人们管理日益增多的文件，使人们能很方便地找到和使用这些文件；它替人们管理磁盘，随时报告磁盘的使用情况；它替计算机管理内存，使计算机能更高效而安全地工作；它还负责管理各种外部设备，如打印机等，有了它的管理，这些外设就能有效地为用户服务了。

也正因为操作系统这么重要，所以人们也在不断地改进它，使它的使用更加方面，功能更加强大。对于咱们现在使用的微机来说，操作系统主要经历了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98这几个发展阶段。

在DOS阶段，人们和计算机打交道，还是主要靠输入命令，“你输入什么命令，计算机就做什么，如果你不输入，计算机就什么也不做”。在这一阶段，人们还是需要记住很多命令和它们的用法，如果忘记了或不知道，那就没有办法了。所以说，这时的计算机还是大太好用，操作系统也处于发展的初级阶段。Windows的出现在很大程度上弥补了这个不足，人们在使用Windows时，不必记住什么命令，只需要用鼠标指指点点就能完成很多工作。而当操作系统发展到Windows95之后，使用计算机就变得更加简单。

现在我们来简单总结一下上面我们讲的一些内容。经过人们几十年的努力，计算机的组成结构已经基本定型，现在我们日常使用的微机在硬件方面可以用下图表示：这里CPU就是我们以前谈到的中央处理器的英文缩写，它和其它辅助电路构成了计算机的核心。我们通过键盘和其它输入设备输入的信息经过它的处理之后显示在显示器上。在信息处理过程中，CPU要和内存频繁地交换信息，在工作结束之后，还要把内存中的数据保存在磁盘上。

上面说的是硬件的工作原理，那么在软件上，我们又是如何使用计算机的呢？

在前面我们讲过，我们可以通过操作系统给计算机布置工作，操作系统也可以把计算机的工作结果告诉我们。可是操作系统的功能也不是无限的，实际上计算机的很多功能是靠多种应用软件来实现的。操作系统一般只负责管理好计算机，使它能正常工作。而众多的应用软件才充分发挥了计算机的作用。但这些应用软件都是建立在操作系统上的，一般情况下，某一种软件都是为特定的操作系统而设计的，因为这些软件不能直接和计算机交换信息，需要通过操作系统来传递信息。

这就是所谓的“硬”、“软”结合。硬件就是我们能看见的这些东西：主机、显示器、键盘、鼠标等，而软件是我们看不见的，存在于计算机内部的。打个比方，硬件就好比人类躯体，而软件就好比人类的思想，没有躯体，思想是无法存在的，但没有思想的躯体也只是一个植物人。一个正常人要完成一项工作，都是躯体在思想的支配下完成的。电脑和这相类似，没有主机等硬件，软件是无法存在的；而一个没有软件的计算机也只是一堆废铁。

还有一个重要的概念没有讲，就是操作系统是如何管理文件的呢？其实也很简单，文件都有自己的名字，叫文件名，用来区分不同的文件的。计算机中的文件有很多，成千上万，光用名字来区分也不利于查找，所以计算机中又有了文件夹的概念，把不同类型的文件存储在不同的文件夹中，查找起来就快多了，也不会太乱。文件多了，可以分别存储在不同的文件夹中，而当文件夹多了之后，再把一些相关的文件夹存储在更在的文件夹中，这样管理文件是比较科学的。

cpu是什么？

中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。 CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。

目录

工作原理提取

解码

执行

写回

基本结构运算逻辑部件

寄存器部件

控制部件

发展历史诞 生

起步的角逐

微机时代的来临

高速CPU时代的腾飞

性能指标主频

外频

前端总线(FSB)频率

CPU的位和字长

倍频系数

缓存

CPU扩展指令集

CPU内核和I/O工作电压

技术架构制造工艺

指令集

超流水线与超标量

封装形式

多线程

多核心

SMP

NUMA技术

乱序执行技术

分枝技术

CPU内部的内存控制器

生产厂商Intel公司

AMD公司

IBM和Cyrix

IDT公司

VIA威盛公司

国产龙芯

ARM Ltd

Freescale Semiconductor

包装方式

原装识别工作原理 提取

解码

执行

写回

基本结构 运算逻辑部件

寄存器部件

控制部件

发展历史 诞 生

起步的角逐

微机时代的来临

高速CPU时代的腾飞

性能指标 主频

外频

前端总线(FSB)频率

CPU的位和字长

倍频系数

缓存

CPU扩展指令集

CPU内核和I/O工作电压

技术架构 制造工艺

指令集

超流水线与超标量

封装形式

多线程

多核心

SMP

NUMA技术

乱序执行技术

分枝技术

CPU内部的内存控制器

生产厂商 Intel公司

AMD公司

IBM和Cyrix

IDT公司

VIA威盛公司

国产龙芯

ARM Ltd

Freescale Semiconductor

包装方式

原装识别

展开 编辑本段工作原理

提取

第一阶段，提取，从程式记忆体中检索指令（为数值或一系列数值）。由程式计数器（Program Counter）指定程式记忆体的位置，程式计数器保存供识别目前程式位置的数值。换言之，程式计数器记录了CPU在目前程式里的踪迹。　提取指令之后，程式计数器根据指令长度增加记忆体单元。指令的提取必须常常从相对较慢的记忆体寻找，因此导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

解码

CPU根据从记忆体提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。　一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的资讯，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值（即立即值），或是一个空间的定址值：暂存器或记忆体位址，以定址模式决定。　在旧的设计中，CPU里的指令解码部分是无法改变的硬体装置。不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中，一个微程式时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程式在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。

执行

在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。　例如，要求一个加法运算，算数逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。ALU内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位元运算）。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里，运算溢出（Arithmetic Overflow）标志可能会被设置。

写回

最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程式计数器，而不直接产生结果。这些一般称作“跳转”（Jumps），并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。　许多指令也会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。　例如，以一个“比较”指令判断两个值的大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可藉由随后的跳转指令来决定程式动向。　在执行指令并写回结果之后，程式计数器的值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令，程式计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程式继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及（常称为微控制（Microcontrollers））。

编辑本段基本结构

CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。　指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。

运算逻辑部件

运算逻辑部件，可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。

寄存器部件

寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。　 32位CPU的寄存器

通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。　通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。　专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。　控制寄存器通常用来指示机器执行的状态，或者保持某些指针，有处理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。　有的时候，中央处理器中还有一些缓存，用来暂时存放一些数据指令，缓存越大，说明CPU的运算速度越快，目前市场上的中高端中央处理器都有2M左右的二级缓存，高端中央处理器有4M左右的二级缓存。

控制部件

控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。　其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。　微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。　简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。　逻辑硬布线控制器则完全是由随机逻辑组成。指令译码后，控制器通过不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信号，直接去执行一条指令中的各个操作。

编辑本段发展历史

CPU这个名称，早期是对一系列可以执行复杂的计算机程序或电脑程式的逻辑机器的描述。这个空泛的定义很容易在“CPU”这个名称被普遍使用之前将计算机本身也包括在内。

诞 生

中央处理器（Intel）

但从20世纪70年代开始，由于集成电路的大规模使用，把本来需要由数个独立单元构成的CPU集成为一块微小但功能空前强大的微处理器时。这个名称及其缩写才真正在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比，CPU在物理形态、设计制造和具体任务的执行上都有了戏剧性的发展，但是其基本的操作原理一直没有改变。　1971年，当时还处在发展阶段的Intel公司推出了世界上第一台真正的微处理器－－4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！　4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后，Intel公司便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是Intel公司X86系列CPU的发展历程，就通过它来展开的“CPU历史之旅”。

起步的角逐

中央处理器（Intel）

1978年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算的指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也把这些指令集中统一称之为X86指令集。　虽然以后Intel公司又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的X86指令，而且Intel公司在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。至于在后来发展壮大的其他公司，例如AMD和Cyrix等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名，但到了586时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。　1979年，Intel公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位。

微机时代的来临

中央处理器（概念图）

1981年，8088芯片首次用于IBM的PC（个人电脑Personal Computer）机中，开创了全新的微机时代。也正是从8088开始，PC的概念开始在全世界范围内发展起来。　早期的CPU通常是为大型及特定应用的计算机而订制。但是，这种昂贵为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。　这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。集成电路使得更为复杂的CPU可以在很小的空间中设计和制造出来（在微米的量级）。　1982年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，Intel公司已经推出了划时代的最新产品枣80286芯片，该芯片比8086和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。从80286开始，CPU的工作方式也演变出两种来：实模式和保护模式。　 中央处理器（AMD速龙64FX概念图）

1985年，Intel公司推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz、25MHz、33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。　除了标准的80386芯片，也就是经常说的80386DX外，出于不同的市场和应用考虑，Intel又陆续推出了一些其它类型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。　1988年，Intel推出的80386SX是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片，其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同，分别是16位和24位（即寻址能力为16MB）。

高速CPU时代的腾飞

1990年，Intel公司推出的80386 SL和80386 DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386 SL与80386 DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但两者皆增加了一种新的工作方式：系统管理方式。当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“休眠”状态，以达到节能目的。　1989年，大家耳熟能详的80486 芯片由Intel公司推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到了33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用 了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。　由于这些改进，80486 的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。80486和80386一样，也陆续出现了几种类型。上面介绍的最初类型是80486DX。　1990年，Intel公司推出了80486 SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。80486 DX2由于用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通讯。80486 DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486 DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到 16KB。80486 DX4的时钟频率为100MHz，其运行速度比66MHz的80486 DX2快40%。80486也有SL增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。　CPU的标准化和小型化都使得这一类数字设备（香港译为“电子零件”）在现代生活中 中央处理器（Intel）

的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。

编辑本段性能指标

主频

主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。　CPU的主频=外频×倍频系数。 主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系.　所以，CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。在Intel的处理器产品中，也可以看到这样的例子：1 GHz Itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 GHz至强（Xeon）/Opteron一样快，或是1.5 GHz Itanium 2大约跟4 GHz Xeon/Opteron一样快。CPU的运算速度还要看CPU的流水线、总线等等各方面的性能指标。

外频

外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。通俗地说，在台式机中，所说的超频，都是超CPU的外频（当然一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器CPU来讲，超频是绝对不允许的。前面说到CPU决定着主板的运行速度，两者是同步运行的，如果把服务器CPU超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。　目前的绝大部分电脑系统中外频与主板前端总线不是同步速度的，而外频与前端总线(FSB)频率又很容易被混为一谈。

前端总线(FSB)频率

前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据带宽=(总线频率×数据位宽)/8，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方，现在的支持64位的至强Nocona，前端总线是800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/秒。　 中央处理器（Intel）

外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。　其实现在“HyperTransport”构架的出现，让这种实际意义上的前端总线(FSB)频率发生了变化。IA-32架构必须有三大重要的构件：内存控制器Hub (MCH) ,I/O控制器Hub和PCI Hub，像Intel很典型的芯片组 Intel 7501、Intel7505芯片组，为双至强处理器量身定做的，它们所包含的MCH为CPU提供了频率为533MHz的前端总线，配合DDR内存，前端总线带宽可达到4.3GB/秒。但随着处理器性能不断提高同时给系统架构带来了很多问题。而“HyperTransport”构架不但解决了问题，而且更有效地提高了总线带宽，比方AMD Opteron处理器，灵活的HyperTransport I/O总线体系结构让它整合了内存控制器，使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接和内存交换数据。这样的话，前端总线(FSB)频率在AMD Opteron处理器就不知道从何谈起了。

CPU的位和字长

中央处理器（德州仪器）

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。字节和字长的区别：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。字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。

倍频系数

倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高主频而得到高倍频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应－CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。一般除了工程样版的Intel的CPU都是锁了倍频的，少量的如Inter 酷睿2 核心的奔腾双核E6500K和一些至尊版的CPU不锁倍频，而AMD之前都没有锁，现在AMD推出了黑盒版CPU（即不锁倍频版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超频方式比调节外频稳定得多）。

缓存

缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。　L1　Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32－256KB。　L2　Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，现在笔记本电脑中也可以达到2M，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高，可以达到8M以上。　L3　Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。　其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MP。Intel还打算推出一款9MB L3缓存的Itanium2处理器，和以后24MB L3缓存的双核心Itanium2处理器。　但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器却仍然不是Opteron的对手，由此可见前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。

CPU扩展指令集

CPU依靠指令来自计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。　从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分（指令集共有四个种类），而从具体运用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended，此为AMD猜测的全称，Intel并没有说明词源）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SSE3、SSE4系列和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。　通常会把CPU的扩展指令集称为”CPU的指令集”。SSE3指令集也是目前规模最小的指令集，此前MMX包含有57条命令，SSE包含有50条命令，SSE2包含有144条命令，SSE3包含有13条命令。

CPU内核和I/O工作电压

从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

编辑本段技术架构

制造工艺

制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的180nm、130nm、90nm、65nm、45纳米。最近inter已经有32纳米的制造工艺的酷睿i3/i5系列了。　而AMD则表示、自己的产品将会直接跳过32nm工艺（2010年第三季度生产少许32nm产品、如Orochi、Llano）于2011年中期初发布28nm的产品（名称未定）

指令集

（1）CISC指令集　CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的缩写）。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。其实它是英特尔生产的x86系列（也就是IA-32架构）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64（也被成AMD64）都是属于CISC的范畴。

简述计算机的工作原理

计算机的工作原理：

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。

程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。

扩展资料：

计算机的特点

1、运算速度快：计算机内部电路组成，可以高速准确地完成各种算术运算。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。

2、计算精确度高：科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。

3、逻辑运算能力强：计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断。计算机能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令以供用户随时调用。

4、存储容量大：计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息，这些信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。

5、自动化程度高：由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序组纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。

6、性价比高：几乎每家每户都会有电脑，越来越普遍化、大众化，21世纪电脑必将成为每家每户不可缺少的电器之一。

百度百科-计算机原理

微机硬件系统中最核心的部位

CPU。

1、中央处理器（CPU），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU是计算机中负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

2、在计算机体系结构中，CPU是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU是计算机的运算和控制核心。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

3、微型计算机的硬件系统中最核心的部件是cpu。cpu是电子计算机的主要设备之一，是电脑中的核心配件，它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

4、中央处理器（英文：CentralProcessingUnit）简称CPU，由采用超大规模的集成电路组成制造，是实现计算机的运算核心和控制核心。CPU包括运算器、控制器、高速缓冲存储器、内部数据总线、控制总线及状态总线输入/输出接口等模块。CPU运作原理分为：提取、解码、执行、访存和写回五个阶段。