CPU 是如何工作的？看视频来了解！
目錄
中央處理器的工作原理
冯·诺伊曼结构
CPU的基本結構
指令周期
寄存器和資料儲存
通訊通道
時鐘信號
運算和執行指令
現代CPU的複雜性
CPU的其他組件
中央處理器的工作原理
在本文中，我們將深入探討中央處理器（CPU）的工作方式及其內部結構。中央處理器是一種單片式的數字機器，用於執行一系列稱為程序的指令。CPU主要由數百萬或數十億個微小的電晶體組成，而理解它們的運作方式，最好是關注它們的內部結構或架構。
【🤔 中央處理器的工作原理】冯·诺伊曼结构
今天，大多數CPU都採用冯·诺伊曼結構。這種結構包括一個稱為控制單元的元件，用於協調處理器的活動，以及一個稱為算術邏輯單元（ALU）的元件，用於執行數學和邏輯操作。CPU需與計算機的內存不斷交換數據，同時與輸入和輸出設備進行交互。
個人而言，每當我想到CPU操作時，我就會想起ZX81中的Z80 CPU以及其他早期微型計算機。ZX81是我擁有的第一台計算機，我在20世紀80年代學會了如何編程它的Z80 CPU機器碼。機器碼是最基本的編程形式，它直接控制個別的CPU組件。因此，如果您想深入了解CPU的工作原理，您需要深入研究機器碼。
這裡我們看到了Z80的內部結構。現代CPU要複雜得多，但通過觀察Z80的結構，我們可以更容易地突出顯示CPU的基本組件。就像冯·诺伊曼的塊圖中所描述的一樣，Z80有一個用於協調其操作的控制單元，還有一個算術邏輯單元(ALU)。還有幾個寄存器，它們是非常小的記憶體空間，大小只有幾個位元。在Z80中，所有寄存器的容量都是8位元或16位元，而在現代處理器中，寄存器通常是32位元、64位元、80位元、128位元、256位元或512位元，我們將在下一節中看到寄存器可用於存儲指令或數據，以及被稱為地址的記憶體位置。
為了與計算機的其他部件進行交互，CPU具有三個稱為匯流排的通訊通道。首先，我們有地址匯流排，用於將內存地址傳遞給RAM或其他組件。其次，我們有數據匯流排，用於傳遞數據。最後，我們有控制匯流排，用於與其他組件進行控制信號的交換。
為了運行程序，CPU依賴時鐘信號，此信號由時鐘芯片和位於計算機主板上的石英晶體生成。現代時鐘信號以千兆赫為單位，現代CPU能夠每秒處理數十億個程序指令。
CPU操作的最基本的方面是取指、解碼、執行指令的周期。這個周期的每個部分都由時鐘脈衝信號觸發，CPU首先從內存中取出一個指令，然後解碼並執行它，然後運行下一條指令，來重複這個過程。
為了跟蹤自己的工作並執行工作，CPU依賴於數個不同的寄存器。在最基本的層次上，有一個稱為程序計數器或指令指針的寄存器，它包含下一條將被取出的指令的地址。當指令周期開始時，CPU讀取存儲在該內存位置的指令，並將其存儲在指令寄存器中，以供解碼和執行。
程序計數器還進行增加，以準備下一條指令週期。需要注意的是，在機器碼中，指令只是對應特定命令的二進制數字。因此，指令周期的解碼部分查找指令寄存器中的值對應的命令。許多指令在一個或多個寄存器上執行算術或邏輯操作，而其他指令則在寄存器和內存之間移動數據，或根據特定的邏輯條件跳轉到程序的其他部分。
請注意，這裡的所有寄存器、數據值和內存地址都顯示為8位元，以使我們的圖形盡可能清晰。
為了使機器碼更容易編寫，它通常以人類易讀的形式表示，這種形式稱為組合語言。然後，通過一個名為編譯器的程序將其轉換為機器碼，以便CPU執行。
舉個例子來說明組合語言和相關的CPU操作，假設我們有兩個存放在連續內存地址中的數字，我們想將它們相加並將結果存儲在下一個內存地址中。假設我們已經將第一個數字的內存位置存儲在寄存器10中，使這一切發生的組合語言可能是這樣的：
mov (%r10), %r12
inc %r10
mov (%r10), %r13
add %r13, %r12
inc %r10
mov %r12, (%r10)
這裡顯示了x86組合語言的一小段代碼，在這段代碼中，寄存器名稱前加%符號，內存地址包含在括號中。此代碼的作用是將存儲在寄存器10中的內存地址的值移動到寄存器12中，並將寄存器10中的值增加，使其指向下一個內存地址，然後將此內存地址中的值移動到寄存器13中。接下來，程序將寄存器12和13中的值相加，結果將放入寄存器13中，然後再次增加寄存器10中保存的地址位置，最後將寄存器13中保存的結果寫回到這個內存地址中。
需要注意的是，在x86機器碼中，可以將寄存器值直接添加到內存位置中的值，因此這個例子可以有其他編碼方式。如果這一切看起來很繁瑣，那麼它確實是如此。但是，移動數據和內存地址到寄存器中，對它們進行數學和邏輯操作，或者將它們寫回存儲或用於觸發控制信號，這就是CPU內部工作的全部。
到目前為止，在本視頻中，我盡量簡化問題，使用僅包含少數寄存器和其他基本組件的CPU架構，並且一次只執行一條指令。然而，大多數現代CPU都更加複雜。首先，大多數現代CPU都有多個核心，每個核心都可以在自己的指令周期中循環，以同時處理多條指令。此外，現代CPU包含多級緩存，這是一種非常快的記憶體，用於在被CPU訪問之前將數據和指令加載到其中。
現代CPU還包含複雜的預測算法，試圖預測CPU可能需要的記憶體值，以便在需要之前從RAM中預先加載到緩存中。除了控制和算術邏輯單元之外，大多數現代CPU還包含其他組件，包括浮點運算單元或FPU、顯示控制器或圖形處理器，以及媒體編碼器。一些現代CPU甚至還具有集成的神經加速器或智能處理單元，以協助機器學習應用。
儘管如此，從最基本的層次來看，所有CPU的工作方式就像我們之前所描述的那樣，將數據和地址從存儲中加載到寄存器中，然後對其進行數學或邏輯操作，再將其寫回到存儲中，或者用於觸發控制信號。
現代微處理器是迄今為止最令人驚嘆的機器之一，已成為人類文明的基石。希望在本視頻中能為您展示了微處理器的工作原理，如果您想讓我為其他計算機組件進行相同的介紹，請在評論中讓我知道。
但現在就講到這裡，关于本视频的內容，如果您喜歡，請按讚，如果您還沒有訂閱，請訂閱，希望能再次與您交流。
Highlights
中央處理器（CPU）是執行計算機程序的核心部件。
冯·诺伊曼結構是現代CPU所遵循的基本設計原則。
基本的指令周期包括取指、解碼和執行指令等步驟。
寄存器在CPU內部儲存和操作指令、數據和地址。
通訊通道（匯流排）用於與記憶體和其他組件進行數據交換。
時鐘信號觸發CPU的運行，掌握指令的處理節奏。
現代CPU具有多核心、多級緩存和預測算法等高階特性。
FAQ
Q: CPU是什麼？
A: CPU是中央處理器的縮寫，是計算機系統中最重要的部件之一，負責執行程序。
Q: 什麼是指令周期？
A: 指令周期是CPU執行一條指令所需的時間，通常包括取指、解碼和執行指令等步驟。
Q: 寄存器的作用是什麼？
A: 寄存器是CPU內部的小型記憶體空間，用於存儲和操作指令、數據和地址。
Q: CPU的速度如何衡量？
A: CPU的速度通常以時鐘頻率來衡量，表示每秒所執行的時鐘周期數。
Q: 現代CPU有多少核心？
A: 現代CPU可以具有單核心或多核心，每個核心可以同時執行多條指令。
相關資源
維基百科：中央處理器
W3Schools：組合語言教程
Intel Developer：x86架構手冊