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cpu的工作原理

生活 更新时间:2024-07-24 19:22:30

cpu的工作原理(CPU原理簡介)1

這是一個計算機最簡單的構成,其中最核心的部件一個是cpu,一個是内存,其他都可以稱為外設(USB、顯卡、磁盤控制器、網卡驅動)。

cpu内部有一個部件叫ALU(數據邏輯單元)是用來做計算的,寄存器用來存數據的,pc(程序計數器)用來存指令。

比如計算3 5,pc記錄了執行到第幾條指令了,數據3、5存儲在寄存器,由ALU來計算,加完了之後存儲到内存中或存儲到另外一個寄存器。

計算機最終的組成是由數字電路組成,

cpu的工作原理(CPU原理簡介)2

合上開關,電路聯通,燈泡就會亮。假設用2個信号表示一個字符,

cpu的工作原理(CPU原理簡介)3

2個信号隻能表示4個字符,如果想表示更多的字符,就要增加信号的寬度,

cpu的工作原理(CPU原理簡介)4

3個信号的組合可以表示8個字。

多少個信号,就可以表示2的多少次方個字符,這個就是字符編碼。

中文日常交流常用的漢字有4000多個,康熙字典中記錄了所有的漢字47000個,多少個信号可以代表所有的漢字,2的16次方65536,用一個16位的字符集就可以代表中國所有的漢字。

字符編碼代表到底這個碼代表什麼字符,比如0011表示我,不同的字符編碼表示同樣的一個我字對應的編碼是不一樣的,比如在一個字符中用0200表示,在另外一種字符中用2929表示;而亂碼表示編解碼用的編碼方式不一樣,比如用GBK編碼,用UTF-8解碼,就會亂碼即用來解析的碼表和encode編碼的碼表不一樣,就會亂碼。

  • 與門電路

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在這個電路中其中有一個斷開整個就是斷開的,

cpu的工作原理(CPU原理簡介)6

所有都聯通才是聯通狀态,如果用二進制的概念表示,

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0表示斷開(不通),1表示聯通,所有為1才為1,對應着與門電路,

  • 或門電路

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此電路有兩個以上輸入端,一個輸出端;隻要有一個或幾個輸入端是 “1”,或門的輸出即為 “1”;而隻有所有輸入端為 “0”時,輸出才為 “0”。

  • 非門電路

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輸入端和輸出端的電平狀态總是相反的。

  • 或非

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當任一輸入端(或多端)為高電平(邏輯“1”)時,輸出就是低電平(邏輯“0”);隻有當所有輸入端都是低電平(邏輯“0”)時,輸出才是高電平(邏輯“1”)。

  • 異或

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當兩個邏輯自變量取值相異時,函數為1;反之,當自變量取值相同時,函數為0;或者說:當兩個輸入信号相異時有輸出,而相同時沒有輸出。

在異或門和或非門基礎上人們發明了加法器,

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這個加法器是對1位進行相加,計算8位的話,就是把加法器用新的電路串聯起來,

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當有了加法之後,所謂的ALU就出現了,隻要能計算加法,其他所有的運算都能夠計算了。

減法可以用二進制的補碼完成,乘法可以用加法計算,除法可以用減法計算,所以最終所有的東西都可以用加法計算。

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這是面包闆可以用來模拟電路,往上面插二極管和三極管,插上去之後,各個燈角就互相連通了。

這個裡面的輸入作為那個裡面的輸出,這個裡面的輸出作為那個裡面的輸入,這樣就可以做一些簡單的電路實驗。

當有了算法邏輯單元之後,整個計算的構成還需要其他的電路,比如時鐘信号電路,一個是為了計時,再一個會不斷的刷新電路,每刷一步電路就往前進一步做一個計算,因為到最後的時候,你會發現所有的計算都需要一個控制電路,控制電路必須一會聯通,一會斷開,每通一次整個的計算才會往前進一步。

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3 5最終怎麼計算得到8的?通一次電,計算才往前走一步,所以需要一個時鐘電路,時鐘電路需要電池信号,線圈一通電就會産生磁場,磁場把開關斷下來,斷下來之後就不通了,不通了之後,電池沒電了,開關閉合,電流又通了,這樣來回來去的。

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後面就發明了鎖存器,總而言之用更深的電路實現一個鎖存器,鎖存器的作用是不管控制端輸入一個什麼,最終這裡的輸出會保存下來即隻要最終的電是通的,就會保存下來,這個就是内存或寄存器。

把數字存在這裡,不可能說通一次電流,數字就變了,隻要不對它進行寫的操作,隻要不覆蓋了,它就一直存在這,這個在電路上的名稱叫鎖存器。

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有了1位鎖存器,就會産生8位的,

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1024位的,

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所以最終就會發現可以完完全全用一個電路來記錄地址,用另外一個電路記錄數據,再通過一個控制信号把它寫到鎖存器當中。

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結果整個内部程序就會變成,我有一個地址,地址上記錄了哪個數據,就可以完全的把它記錄下來。

當然最終還是要寫程序實現程序的自動化,這個過程隻要不斷的用時鐘信号去修改它的控制端,它就會一步一步的往前走,先加第一位,再加第二位,再加第三位...

cup中的寄存器就是鎖存器,裡面記錄了計算需要的數據;程序計數器就是地址,計算到哪一行、哪個地址了,往前推進一下,地址就往下加1;ALU是用來計算的電路即加法器。

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