CPU执行方式

CPU的工作分为 5 个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。 1、取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。 2、指令译码阶段（ID，instruction decode），取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。 3、执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。 4、访存取数阶段（MEM，memory），根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。 5、结果写回阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。扩展资料：CPU的根本任务就是执行指令，对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由CPU内部总线连接起来。 1、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)等，对协调整个电脑有序工作极为重要。 2、运算单元，是运算器的核心。可以执行算术运算（包括加减乘数等基本运算及其附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或两个值比较）。 3、存储单元，包括CPU片内缓存和寄存器组，是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。 一  CPU的原始工作模式 在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。 但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。 看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。 CPU的内部结构 现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由哪些部件负责处理数据和 执行程序 呢？ 1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit) ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以 移位寄存器 及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。 2.寄存器组 RS(Register Set或Registers) RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异 您在浏览本页面时使用的计算机便通过微处理器来完成其工作。微处理器是所有标准计算机的心脏，无论该计算机是桌面计算机、服务器还是笔记本电脑。您正在使用的微处理器可能是奔腾、K6、PowerPC、Sparc或者其他任何品牌和类型的微处理器，但是它们的作用大体相同，工作方式也基本类似。 3.控制单元(Control Unit) 正如工厂的物流分配部门，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 0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过 操作控制器 OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍 脉冲发生器 、控制矩阵、 时钟脉冲 发生器、 复位电路 和启停电路等控制逻辑。 4.总线(Bus) 就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。 CPU的工作流程 由晶体管组成的CPU是作为处理数据和 执行程序 的核心，其英文全称是:Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。 数据与指令在CPU中的运行 刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。 我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。 假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。 基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。 如何提高CPU工作效率 既然CPU的主要工作是执行指令和处理数据，那么工作效率将成为CPU的最主要内容，因此，各CPU厂商也尽力使CPU处理数据的速度更快。 根据CPU的内部运算结构，一些制造厂商在CPU内增加了另一个算术逻辑单元(ALU)，或者是另外再设置一个处理非常 大和 非常小的数据浮点运算单元(Floating Point Unit，FPU)，这样就大大加快了数据运算的速度。 而在执行效率方面，一些厂商通过流水线方式或以几乎并行工作的方式执行指令的方法来提高指令的执行速度。刚才我们提到，指令的执行需要许多独立的操作，诸如取指令和译码等。最初CPU在执行下一条指令之前必须全部执行完上一条指令，而现在则由分布式的电路各自执行操作。也就是说，当这部分的电路完成了一件工作后，第二件工作立即占据了该电路，这样就大大增加了执行方面的效率。 另外，为了让指令与指令之间的连接更加准确，现在的CPU通常会采用多种预测方式来控制指令更高效率地执行。

如下：

实模式:工作方式相当于一个8086.

保护模式:提供多任务环境的工作方式,建立保护机制(这与VAX小型机类似).

虚拟8086模式:可从保护模式切换至其中的一种8086工作方式.这种方式的提供可以使用户方便地在保护模式下运行一个或多个

原8086程序.

这四个CPU模式分别是以下状态：

1、performance高性能模式:在这个模式系统会按设定最大主频率满负荷运转，主频会一直保持在设定范围内的最大值。它和省电模式相反，始终按设定最高频率运行，此模式亦无任何日常使用价值；

2、hotplug单核模式：在这个模式系统会在检测到CPU低负载关闭一个核心变成单核；

3、powersave省电模式：此模式下系统将保持在设定最小频率低负荷运行。按设定最低频率运行，日常没有使用价值，除非配合setcpu情景模式，关屏睡眠时使用此调节模式；

4、userspace用户隔离模式-：当cpu设置模块处于非工作状态时控制cpu速度的一种方法。严格来说它并不是一个模式，是允许非内核进程控制cpu频率的设置，现在已经不需要它了，setcpu官方的建议是，“不要使用此选项”。

除此之外CPU还有其他以下模式：

1、conservative保守模式：在此模式下系统会回设置较低的频率下降响应参数，主频在空闲时下降更快，更节能，但CPU速度调整会相对慢些；

2、ondemand按需模式：官方及xray内核默认为此项调节模式，顾名思义，按需调节cpu频率，不操作手机的时候控制在最低频率，滑屏或进入应用后会迅速提升至最高频率，当空闲时迅速降低频率，性能较稳定，但因频率变化幅度过大，省电方面只有一般的水平；

3、agfree无延迟模式：基本基于保守模式的频率调节机制，频率上升缓慢，不同之处在于唤醒屏幕后会直接跳跃到一个合适的频率，减少亮起以后的延迟现象，但日常使用性能不高；

4、intellidemand智能按需调节模式：可根据GPU使用情况来针对性调节cpu频率，GPU负载高时，比如运行游戏和测试的时候，cpu频率会迅速升至最高，这时的调节模式类似于ondemand，当GPU空闲时则会自动限制cpu最高频率，更加省电。要游戏性能好，又要省电的可以用下试试；

5、Badass省电模式：当使用badass调节器时，系统将工作在第一限制频率，直到有一个核心超过此频率后再逐步提升，需要脚本支持，比较省电。该模式我正在我的双4中进行调试测试。

但是如果没有做badass限制时，该模式在双核下工作，比较费电。

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