¿Cómo realiza los cálculos la CPU?

Antes de entender cómo funciona la CPU, hablemos brevemente sobre cómo se produce la CPU. La CPU está construida sobre un material de silicio excepcionalmente puro. Un chip de CPU contiene millones de delicados transistores. Los transistores se graban químicamente o se fotolitografian en un trozo de oblea de silicio del tamaño de una uña. Por tanto, en este sentido, la CPU está compuesta por transistores. En pocas palabras, los transistores son interruptores electrónicos en miniatura. Son la piedra angular de la construcción de una CPU. Puedes pensar en un transistor como un interruptor de luz. Tienen un bit de funcionamiento que representa dos estados: ENCENDIDO y APAGADO. Esta apertura y cierre equivale a la conexión y desconexión del transistor, ¡y estos dos estados corresponden a los estados básicos "0" y "1" en binario! De esta forma, la computadora tiene la capacidad de procesar información. \x0d\\x0d\ Pero no piense que el principio de los transistores con sólo dos estados simples de "0" y "1" es muy simple, de hecho, su desarrollo es el resultado de años de ardua investigación por parte de científicos. Antes de los transistores, las computadoras dependían de interruptores mecánicos y tubos de vacío lentos e ineficientes para procesar la información. Posteriormente, los investigadores colocaron dos transistores en un cristal de silicio, creando así el primer circuito integrado y más tarde el microprocesador. \x0d\\x0d\ Cuando vea esto, debe preguntarse: ¿cómo utilizan los transistores las dos señales electrónicas de "0" y "1" para ejecutar instrucciones y procesar datos? De hecho, todos los dispositivos electrónicos tienen sus propios circuitos e interruptores. El flujo o la desconexión de electrones en el circuito está completamente controlado por el interruptor. Si configura el interruptor en APAGADO, los electrones dejarán de fluir si lo coloca nuevamente en ENCENDIDO. , Los electrones seguirán fluyendo de nuevo. Esta conmutación de encendido y apagado del transistor está controlada únicamente por señales electrónicas. Podemos llamar al transistor un dispositivo binario. De esta manera, el estado ON del transistor se representa por "1" y el estado OFF se representa por "0", que puede formar el número binario más simple. Secuencias y patrones especiales de múltiples "1" y "0" generados por numerosos transistores pueden representar diferentes situaciones, definiéndolas como letras, números, colores y formas. Por ejemplo, 1 en decimal también es "1" en modo binario, 2 es "10" en modo binario, 3 es "11", 4 es "100", 5 es "101" y 6 es "110", etc. y así sucesivamente, esto constituye el lenguaje binario y los datos que utilizan las computadoras para funcionar. Se pueden combinar grupos de transistores para almacenar valores numéricos y realizar operaciones lógicas y operaciones numéricas. Junto con el control de un reloj de cuarzo, grupos de transistores realizan sus funciones de forma sincrónica como una máquina compleja. \x0d\\x0d\　La estructura interna de la CPU \x0d\\x0d\ Ahora tenemos una idea aproximada de de qué es responsable la CPU, pero ¿qué componentes son específicamente responsables de procesar datos y ejecutar programas? \x0d\\x0d\　1.Unidad aritmética lógica ALU (Unidad aritmética lógica) \x0d\　ALU es el núcleo de la unidad aritmética. Es un circuito basado en un sumador completo, complementado por un registro de desplazamiento y la lógica de control correspondiente. Bajo la acción de señales de control, puede completar las cuatro operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, división y diversas operaciones lógicas. Como se acaba de mencionar, esto equivale a la línea de producción en la fábrica, responsable de calcular los datos. \x0d\\x0d\ 2. Conjunto de registros RS (Conjunto de registros o registros) \x0d\ RS es esencialmente un lugar donde los datos se almacenan temporalmente en la CPU. Almacena datos en espera de ser procesados ​​o datos que han sido procesados. accesos Los registros toman menos tiempo que acceder a la memoria. El uso de registros puede reducir la cantidad de veces que la CPU accede a la memoria, aumentando así la velocidad de trabajo de la CPU. Sin embargo, debido a limitaciones en el área del chip y el nivel de integración, la capacidad del conjunto de registros no puede ser muy grande. El grupo de registros se puede dividir en registros de propósito especial y registros de propósito general. La función de los registros especiales es fija y los datos correspondientes se almacenan respectivamente. Los registros de propósito general, por otro lado, tienen una amplia gama de usos y pueden ser especificados por el programador.

El número de registros de propósito general varía de un microprocesador a otro. \x0d\\x0d\ 3. Unidad de control (Unidad de control) \x0d\ Al igual que el departamento de distribución logística de una fábrica, la unidad de control es el centro de comando y control de toda la CPU. Consiste en el registro de instrucciones IR (Instrucción. Registro), el ID del decodificador de instrucciones (Decodificador de instrucciones) y el controlador de operación OC (Controlador de operación) se componen de tres componentes, que son extremadamente importantes para coordinar el trabajo ordenado de toda la computadora. Extrae cada instrucción de la memoria en secuencia de acuerdo con el programa preprogramado por el usuario, la coloca en el registro de instrucciones IR, determina qué operación se debe realizar mediante la decodificación (análisis) de instrucciones y luego opera el controlador OC de acuerdo con El tiempo determinado envía señales de control de microoperación a los componentes correspondientes. El controlador de operación OC incluye principalmente lógica de control como generador de impulsos, matriz de control, generador de impulsos de reloj, circuito de reinicio y circuito de arranque y parada. \x0d\\x0d\ 4. Bus \x0d\ Al igual que el canal de comunicación entre varias partes de la fábrica, el bus es en realidad un conjunto de cables, una colección de varias líneas de señales públicas, utilizadas como Todos los componentes de una computadora usan el misma "autopista" para transmitir información. El bus conectado directamente a la CPU se puede denominar bus local. Estos incluyen: bus de datos DB (Data Bus), bus de direcciones AB (Address Bus), bus de control CB (Control Bus). Entre ellos, el bus de datos se utiliza para transmitir información de datos; el bus de direcciones se utiliza para transmitir información de dirección emitida por la CPU; el bus de control se utiliza para transmitir señales de control, señales de sincronización, información de estado, etc. \x0d\\x0d\　Flujo de trabajo de la CPU \x0d\\x0d\　La CPU, que está compuesta por transistores, es el núcleo para procesar datos y ejecutar programas. Su nombre completo en inglés es: Central Processing Unit, que es la unidad central de procesamiento. En primer lugar, la estructura interna de la CPU se puede dividir en tres partes: la unidad de control, la unidad de operación lógica y la unidad de almacenamiento (incluidos los buses internos y los buffers). El principio de funcionamiento de la CPU es como el procesamiento de productos en una fábrica: las materias primas (instrucciones del programa) que ingresan a la fábrica son enviadas y distribuidas por el departamento de distribución de materiales (unidad de control) y enviadas a la línea de producción (operación lógica). unidad) para producir productos terminados (unidad de procesamiento). Después de los datos finales, se almacena en el almacén (unidad de almacenamiento) y finalmente espera a ser vendido en el mercado (para ser utilizado por la aplicación). Durante este proceso, notamos que a partir de la unidad de control, la CPU inicia el trabajo formal. El proceso intermedio lo realiza la unidad de operación lógica para cálculo y procesamiento, y entregarlo a la unidad de almacenamiento representa el final del trabajo. \x0d\\x0d\　La operación de datos e instrucciones en la CPU \x0d\\x0d\ Acabo de presentarle los componentes y principios básicos de la CPU. Ahora, echemos un vistazo a cómo se ejecutan los datos en la CPU. Sabemos que los datos fluyen desde el dispositivo de entrada a través de la memoria, esperando ser procesados ​​por la CPU. La información a procesar se almacena en bytes, es decir, se almacena en números binarios de 8 bits u 8 bits como 1 unidad. La información puede ser datos o instrucciones. Los datos pueden ser representaciones binarias de caracteres, números o colores, etc. Las instrucciones le dicen a la CPU qué operaciones realizar con los datos, como completar operaciones de suma, resta o desplazamiento. \x0d\\x0d\　Asumimos que los datos en la memoria son los datos primitivos más simples. Primero, el puntero de instrucción (Puntero de instrucción) notifica a la CPU que coloque la instrucción que se ejecutará en la ubicación de almacenamiento en la memoria. Debido a que cada unidad de almacenamiento en la memoria tiene un número (llamado dirección), los datos se pueden extraer en función de estas direcciones y enviarse a la unidad de control a través del bus de direcciones. El decodificador de instrucciones toma las instrucciones del registro de instrucciones IR y las traduce. los convierte en formato ejecutable de la CPU y luego determina qué operaciones necesarias se necesitan para completar la instrucción. Le dirá a la unidad lógica aritmética (ALU) cuándo calcular, le dirá al lector de instrucciones cuándo obtener el valor y le dirá al decodificador de instrucciones cuándo traducir. la instrucción, etc.

\x0d\\x0d\ Si los datos se envían a la unidad lógica aritmética, los datos realizarán operaciones aritméticas y varias otras operaciones especificadas en la instrucción. Cuando se procesan los datos, se devolverán al registro y los datos continuarán ejecutándose a través de diferentes instrucciones o enviándose al búfer de datos a través del bus DB. \x0d\\x0d\ Básicamente, así es como la CPU realiza las tres tareas básicas de leer datos, procesar datos y escribir datos en la memoria. Pero en circunstancias normales, una instrucción puede contener muchas operaciones realizadas en un orden claro. El trabajo de la CPU es ejecutar estas instrucciones. Después de completar una instrucción, la unidad de control de la CPU le indicará al lector de instrucciones que lea la siguiente instrucción de la memoria. . Este proceso se repite rápidamente, ejecutando rápidamente instrucción tras instrucción para producir los resultados que ve en el monitor. Podemos imaginar fácilmente que al procesar tantas instrucciones y datos, debido a la diferencia de tiempo entre la transferencia de datos y el tiempo de procesamiento de la CPU, definitivamente habrá un procesamiento caótico. Para garantizar que cada operación se realice a tiempo, la CPU necesita un reloj, y el reloj controla cada acción realizada por la CPU. El reloj es como un metrónomo. Emite continuamente pulsos que determinan el ritmo y el tiempo de procesamiento de la CPU. Esta es la velocidad nominal de la CPU que conocemos, también conocida como frecuencia principal. Cuanto mayor sea el valor de la frecuencia del reloj, más rápido funcionará la CPU.