计算机 - 中央处理器 (CPU)
中央处理器
CPU 表示 Central Processing Unit；它也被称为“计算机的大脑”。CPU 是计算机的主要组件，负责执行大部分处理任务并控制计算机内部所有组件的运行。
CPU 的关键组件包括 Control Unit、ALU 和 Memory。上图展示了这些关键组件的排列和集成。
CPU 的组件
- Control Unit (CU)
- ALU (Arithmetic Logic Unit)
- Memory 或 Storage Unit
- Registers
Control Unit
顾名思义，control unit 是 CPU 的“大脑”。control unit 的主要作用是管理和执行指令，以完成计算机程序指定的任务。CPU 通过从 memory 中获取指令、解码它们，然后执行它们来执行指令。因此，它在 fetch-decode-execute 指令过程中发挥着至关重要的作用。
Control Unit 的功能
- Instruction Fetch − CU 从 RAM (Random Access Memory) 中获取指令。
- Instruction Decoding − 它解码获取的指令以进行操作。
- Instruction Execution − CU 发送控制信号以执行操作，例如让 ALU 进行算术和逻辑运算。
- Control Flow Management − 它通过更新 programme counter 来控制流程。
- Exception Handling − control unit 有效管理异常和中断，如硬件故障、system calls 和外部事件，通过适当地将 CPU 的控制流转向处理此类异常的预定程序。
- Synchronization − CU 在多个核心间协调指令执行方面发挥关键作用。
Arithmetic Logic Unit (ALU)
Arithmetic Logic Unit (ALU) 是一个经过广泛优化和设计的组件，能够同时执行多项任务。它通常被构建为快速执行操作。它与其他 CPU 组件（如 registers、memory 和 control units）协作，执行复杂指令。
ALU 的功能
- Arithmetic Operations − ALU 可以执行基本的算术运算。
- Logic Operations − ALU 还可以执行逻辑运算，如 AND、OR、NOT、XOR 和位移运算。
Memory Unit
Memory 是一种硬件组件，用于在需要时存储和访问数据。主要而言，计算机 memory 被分为两部分：Primary Memory (RAM) 和 Secondary Memory (Hard Disk)。RAM 用于短期快速数据访问，是活动程序执行的必需组件。另一方面，storage 或 secondary memory 提供永久数据存储。
因此，memory 和 storage unit 都是计算机系统的关键组件。
Memory 的功能
Primary Memory
- RAM 也被称为 primary 或 temporary memory；它是一种 volatile memory，用于临时存储数据。
- 当计算机断电或重启时，RAM 中的内容会被擦除。
- RAM 被积极用于程序或指令执行。
- 一旦启动计算机，系统必需文件、程序和 operating system 文件会被加载到 RAM 中，以确保计算机顺畅运行。
- 计算机拥有的 RAM 越多，它处理多任务的能力越强，运行应用程序的速度也越快，因为数据可以更快地访问。
Storage (Hard Drives, SSDs, Flash Drives 等)
- Storage 设备用于永久存储数据，即使计算机断电。
- 它们是非 volatile 的；即使断电或系统重启，数据也保持完整。
- 最流行和常用的 storage 设备包括 Hard disks (HDs)、Solid-State Drives (SSDs)、USB flash drives 和 optical disks（如 DVDs）、pen drives。
- 这些设备的存储容量从 gigabytes (GB) 到 terabytes (TB) 不等，具体取决于 storage 设备的类型和大小。
CPU 的功能
CPU 的主要功能如下 −
- CPU 执行算术和逻辑运算。
- 它指导处理器的运行。
- 它指导输入和输出单元如何响应已传递给处理器的指令。
- CPU 包含寄存器，这些寄存器被视为 CPU 内部的小型存储位置，用于在程序执行期间临时保存数据。
- CPU 通过从内存中获取指令、解码它们，然后执行它们来执行指令。