中央处理器(CPU)分享

David

一、结构组成

       计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机的发展大体经历了从一般计算工具到机械计算机到目前的电子计算机的发展历程。现代的计算机，大多遵守冯诺依曼体系结构。

       CPU，即中央处理器，是一台计算机的运算核心和控制核心。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由运算器、控制器、寄存器、高速缓存及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

       存储器，分为外存和内存，用于存储数据(使用二进制方式存储)。

       输入设备，用户给计算机发号施令的设备。

       输出设备，计算机个用户汇报结果的设备。

       ALU：算术逻辑单元(Arithmetic&logical Unit)，是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由“And Gate”(与门) 、“Or Gate”(或门)和“Not Gate”(非门)等构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

       CU：控制单元(Control Unit)，负责程序的流程管理。控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

二、工作原理

       1、二极管

       铜是经典导体，它的最外圈有一个单独的电子，倾向于脱离原子飞出去变成自由电子，如果我们用一串铜原子把正极和负极连接起来构成回路，电源的电压驱使电子做定向移动，电流的方向和电子的运动方向是相反的。

       半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，在外界条件变化时，半导体可以实现在导通和不导通之间转换。硅就是一种典型的半导体，它的最外圈有4个电子，最外层最多容纳8个电子。纯净的硅晶体的每个硅原子和周围的四个硅原子就会各自拿出1个电子，两两形成共价键，共价键对于电子的束缚很强，这是一种很稳定的结构，不容易得到也不容易失去电子，此时整体的导电性很弱。

       如果我们往纯净的硅中掺入少量的磷元素P，磷原子最外层有5个价电子，其中4个电子和周围的硅原子形成共价键，多出的1个电子受到的束缚较弱，容易发生移动，这种少量掺杂的硅导电性就会上升，增加电子的掺杂称为N性掺杂，电荷的载流子是电子。

       如果我们往纯净的硅中掺入少量的硼元素B，硼原子最外层有3个价电子，和周围的硅原子形成3个共价键，会有一个空穴，其他的电子可以移动到这个空穴上，这种少量掺杂的硅导电性也会上升，增加空穴的掺杂称为P性掺杂，电荷的载流子是空穴。

       我们在同一块硅晶体的相邻区域分别进行N型掺杂和P型掺杂，就得到一个PN结，因为N型掺杂区域的电子比较多， P型掺杂区域的空穴比较多，电子就会从N区扩散到P区和空穴结合。

       由于N区域失去了带负电的电子，从中性变成显正电性，而P区域得到了电子，从中性变成显负电性，会产生一个正电性区域到负电性区域的电场，从而驱使电子移动，当扩散作用和电子受电场作用作用相等时就达成平衡，此时其他电子无法继续向另一侧扩散，中间这块缺乏载流子、存在内电场的区域，称为耗尽层。

       如果将PN结外接灯泡，电池的正极接P，负极接N，电池提供的电场从右往左，当这个电场足以抵消向右的内建电场时，平衡被打破，电子可以跨过耗尽层源源不断地流动，此时电路导通，灯泡亮起。

       如果将PN结外接灯泡，电池的正极接N，负极接P，电池提供的电场从左往右，外加电场与内建电场方向一致，把所有的电子往左边赶，对应的空穴往右边走，耗尽层被加宽，电子无法跨过这个电场形成回路，此时电路不导通，灯泡熄灭。以上就是二极管的原理，电流可以从P流到N，无法从N流到P。

       2、MOSFET管

       我们往一块纯硅中两个肩膀的位置进行N型掺杂，其他区域进行P型掺杂，扩散作用会在N和P的交界处形成耗尽层，这时候我们往两块区域接一个电池和灯泡，构成回路，正接时负极是P往N可以导通，但正极是N往P，耗尽层会加宽阻止电子移动，整体无法构成回路，反之亦然。

       用两块金属板夹着一个绝缘层，在金属板两侧接上电源正负极，在电源作用下，大量的电子会被电源的正极吸引，离开上层金属板，聚集到下层金属板，此时上层金属板显正电性，下层的金属板显负电性，中间的绝缘层形成从上向下的指向电场。如果我们把这个结构装到两个N区域的中间，上层是金属板，中间是绝缘层，下面的P区域直接充当下层金属板，通电后大量电子会被吸引到中间这片区域，在填充空穴的同时还会多出很多自由电子，当达成平衡以后，也会因为扩散作用形成新的耗尽层，相当于2个N区被连通了，电路导通，这个区域被称为N沟道，所以我们得到了一个电压控制的开关，给中间的电极施加正向偏压，电压高于阈值电压时，MOSFET管导通；电压低于阈值电压时，MOSFET管不导通。

       上面这种当电压高于阈值电压可以导通，电压低于阈值电压不能导通的元件，我们称为NMOS；而如果在掺杂的时候我们把N和P反过来，同时把栅极的正负极调换下位置，这这种当电压高于阈值电压不能导通，电压低于阈值电压可以导通的元件，我们称为PMOS。

       3、逻辑门

       使用MOS管组成非门、或门、与门等逻辑门。

       此时我们将NMOS和PMOS的2个栅极连接起来作为输入端A，2个漏极的连接处拉出一根线作为输出端B，PMOS的源极接入供电电压VDD，NMOS的源极接入接地电压VSS，就得到了一个非门。当A输入电压高于阈值时，PMOS不导通，NMOS导通，相当于输出端B直接接在接地电压VSS上，输出相对低压；当A输入电压低于阈值时，NMOS不导通，PMOS导通，相当于输出端B直接接在供电电压VDD上，输出相对高压。我们规定相对高压是1，相对低压是0，这个电路就能对输入结果取反。或门、与门等也是类似原理。

       4、运算单元

       用一个异或门加一个与门就可以构成一个半加法器，可以计算1位二进制的加法。用两个异或门加两个与门加一个或门，就可以得到一个全加法器。把两个全加法器组合在一起，就可以计算2位二进制的加法；把四个全加法器组合在一起，就可以计算4位二进制的加法。

       5、制作

       把MOS管整齐刻蚀在硅芯片上，再按照电路图的链接顺序，把所有的线路按照图纸链接好，就得到了可以计算四位二进制数的一块芯片，而CPU内部就是由无数个这样的密密麻麻的门电路构成的，CPU设计是一个庞大的工程，CPU的设计图纸不亚于一座大型城市的微缩景观，这上亿个晶体管全部浓缩在一个只有指甲盖大小的芯片上，闪耀着人类智慧的璀璨光芒。

三、主要功能

       1、处理指令

       控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。

       2、执行操作

       一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

       3、控制时间

       时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。

       4、处理数据

       即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。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，并执行指令。

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