Question

CPU原理是什么？

Answer 1

一、 指令系统
要讲CPU，就必须先讲一下指令系统。指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个
CPU的根本属性。比如我们现在所用的CPU都是采用x86指令集的，他们都是同一类型的CPU，不管是PIII、
Athlon或Joshua。我们也知道，世界上还有比PIII和Athlon快得多的CPU，比如Alpha，但它们不是用x86指令
集，不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序，如Windows98。之所以说指令系统是一个CPU的根本属性
，是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。
所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所
包含的就是一条条的指令。
1、 指令的格式
一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。操作码其实就是指令序列号，用来告诉CPU需要执行的是
那一条指令。地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。在某些指令中，地
址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。
举个例子吧，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且第一条指令是
加，第二条指令是减。当它收到一个“00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前
8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地
址。于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到ALU中进行减法运算
，然后把结果送到00000110处。
这只是一个相当简单化的例子，实际情况要复杂的多。
2、 指令的分类与寻址方式
一般说来，现在的指令系统有以下几种类型的指令：
（１）算术逻辑运算指令
算术逻辑运算指令包括加减乘除等算术运算指令，以及与或非异或等逻辑运算指令。现在的指令系统还加
入了一些十进制运算指令以及字符串运算指令等。
（２）浮点运算指令
用于对浮点数进行运算。浮点运算要大大复杂于整数运算，所以CPU中一般还会有专门负责浮点运算的浮
点运算单元。现在的浮点指令中一般还加入了向量指令，用于直接对矩阵进行运算，对于现在的多媒体和3D处
理很有用。
（３）位操作指令
学过C的人应该都知道C语言中有一组位操作语句，相对应的，指令系统中也有一组位操作指令，如左移
一位右移一位等。对于计算机内部以二进制不码表示的数据来说，这种操作是非常简单快捷的。
（４）其他指令
上面三种都是运算型指令，除此之外还有许多非运算的其他指令。这些指令包括：数据传送指令、堆栈操
作指令、转移类指令、输入输出指令和一些比较特殊的指令，如特权指令、多处理器控制指令和等待、停机、
空操作等指令。
对于指令中的地址码，也会有许多不同的寻址（编址）方式，主要有直接寻址，间接寻址，寄存器寻址
，基址寻址，变址寻址等，某些复杂的指令系统会有几十种甚至更多的寻址方式。