處理器一般指中央處理器，中央處理器（CPU, Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺計算機(jī)的核心（Core）和控制核心（Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。大多數(shù)現(xiàn)代電路設(shè)計都是用信號線上的高電壓和低電壓來表示不同的位值。要實現(xiàn)一個數(shù)字系統(tǒng)需要三個主要的組成部分：

• 計算對位進(jìn)行操作的函數(shù)的組合邏輯（ALU）；

• 存儲位的存儲器元素（寄存器）；

• 控制存儲器元素更新的時鐘信號。

  結(jié)構(gòu)

根據(jù)馮·諾依曼思想，計算機(jī)采用二進(jìn)制作為數(shù)制基礎(chǔ)，必須包含: 運(yùn)算器、控制器、存儲設(shè)備，以及輸入輸出設(shè)備，如下圖所示：

CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對計算機(jī)來說最終都是一串由“0”和“1”組成的序列。CPU從邏輯上可以劃分成3個模塊，分別是控制單元、運(yùn)算單元和存儲單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。如下所示：

控制單元

運(yùn)算單元

運(yùn)算單元是運(yùn)算器的核心。可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算(包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)算)和邏輯運(yùn)算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言，運(yùn)算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

存儲單元

存儲單元包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或者已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU訪問寄存器所用的時間比直接訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度限制，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器作用廣泛并可由程序員規(guī)定其用途，通用寄存器的數(shù)目因微處理器而不同。

工作原理

CPU的工作原理概括如下圖：

總的來說，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按照指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。

更細(xì)一點(diǎn)的說，控制單元是CPU的控制中心，CPU需要通過它才知道下一步做什么，也就是執(zhí)行什么指令，控制單元包含指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)和操作控制器(OC）。當(dāng)程序被加載進(jìn)內(nèi)存后，指令就在內(nèi)存中了，這個時候說的內(nèi)存是獨(dú)立于CPU外的主存設(shè)備，也就是PC機(jī)中的內(nèi)存條。指令指針寄存器IP指向內(nèi)存下一條待執(zhí)行指令的地址，控制單元根據(jù)IP寄存器的指向，將主存中的指令加載到指令寄存器，這個指令寄存器也是一個存儲設(shè)備，不過集成在CPU內(nèi)部。指令從主存到達(dá)CPU后只是一串串010101的二進(jìn)制串，還需要通過譯碼器解碼，分析出操作碼是什么，操作數(shù)在哪，之后就是具體的運(yùn)算單元進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算(加減乘除)，邏輯運(yùn)算(比較,位移)。

CPU指令執(zhí)行過程大致為：取址（從主存獲取指令放到寄存器）→ 譯碼（從主存獲取操作數(shù)放到高速緩存L1）→ 執(zhí)行（運(yùn)算）

上圖中 CPU 內(nèi)部集成的存儲單元 SRAM ，正好和主存中的 DRAM 對應(yīng)， RAM 是隨機(jī)訪問內(nèi)存，就是給一個地址就能訪問到數(shù)據(jù)，而磁盤這種存儲媒介必須順序訪問，而 RAM 又分為動態(tài)和靜態(tài)兩種，靜態(tài) RAM 由于集成度較低，一般容量小，速度快，而動態(tài) RAM 集成度較高，主要通過給電容充電和放電實現(xiàn)，速度沒有靜態(tài) RAM 快，所以一般將動態(tài) RAM 做為主存，而靜態(tài) RAM 作為 CPU 和主存之間的高速緩存 （cache），用來屏蔽 CPU 和主存速度上的差異，也就是我們經(jīng)常看到的 L1 ， L2 緩存。每一級別緩存速度變低，容量變大。

處理器的單元邏輯

更細(xì)一點(diǎn)，從實現(xiàn)的功能方面看，CPU大致可分為如下八個邏輯單元：

（1）指令寄存器 ：它是芯片上的指令倉庫，有了它CPU就不必停下來查找計算機(jī)內(nèi)存中的指令，從而大幅提高了CPU的運(yùn)算速度。

（2）指令譯碼器 ：它負(fù)責(zé)將復(fù)雜的機(jī)器語言指令解譯成運(yùn)算邏輯單元（ALU）和寄存器能夠理解的簡單格式，就像一位外交官。

（3）控制單元 ：既然指令可以存入CPU，而且有相應(yīng)指令來完成運(yùn)算前的準(zhǔn)備工作，背后自然有一個扮演推動作用的角色——它便是負(fù)責(zé)整個處理過程的操作控制器。根據(jù)來自譯碼單元的指令，它會生成控制信號，告訴運(yùn)算邏輯單元（ALU）和寄存器如何運(yùn)算、對什么進(jìn)行運(yùn)算以及對結(jié)果進(jìn)行怎樣的處理。

（4）寄存器 ：它對于CPU來說非常的重要，除了存放程序的部分指令，它還負(fù)責(zé)存儲指針跳轉(zhuǎn)信息以及循環(huán)操作命令，是運(yùn)算邏輯單元（ALU）為完成控制單元請求的任務(wù)所使用的數(shù)據(jù)的小型存儲區(qū)域，其數(shù)據(jù)來源可以是高速緩存、內(nèi)存、控制單元中的任何一個。

（5）邏輯運(yùn)算單元（ALU） ：它是CPU芯片的智能部件，能夠執(zhí)行加、減、乘、除等各種命令。此外，它還知道如何讀取邏輯命令，如或、與、非。來自控制單元的訊息將告訴運(yùn)算邏輯單元應(yīng)該做些什么，然后運(yùn)算單元會從寄存器中間斷或連續(xù)提取數(shù)據(jù)，完成最終的任務(wù)。

（6）預(yù)取單元 ：PU效能發(fā)揮對其依賴非常明顯，預(yù)取命中率的高低直接關(guān)系到CPU核心利用率的高低，進(jìn)而帶來指令執(zhí)行速度上的不同。根據(jù)命令或要執(zhí)行任務(wù)所提出的要求，何時時候，預(yù)取單元都有可能從指令高速緩存或計算機(jī)內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)和指令。當(dāng)指令到達(dá)時，預(yù)取單元最重要的任務(wù)就是確保所有指令均排列正確，然后發(fā)送給譯碼單元。

（7）總線單元 ：它就像一條高速公路，快速完成各個單元間的數(shù)據(jù)交換，也是數(shù)據(jù)從內(nèi)存流進(jìn)和流出CPU的地方。

（8）數(shù)據(jù)高速緩存 ：存儲來自譯碼單元專門標(biāo)記的數(shù)據(jù)，以備邏輯運(yùn)算單元使用，同時還準(zhǔn)備了分配到計算機(jī)不同部分的最終結(jié)果。

通過以上介紹可以看出CPU雖小，方寸之地卻能容納大世界，內(nèi)部更像一個發(fā)達(dá)的裝配工廠，環(huán)環(huán)相扣，層層相套。正因為有了相互間的協(xié)作配合，才使得指令最終得以執(zhí)行，才構(gòu)成了圖文并茂、影像結(jié)合的神奇數(shù)字世界 。