cpu的结构和工作原理

╰半橙微兮° 2022-03-22 07:51 279阅读 0赞

CPU历来都是一个高大上的话题，普通吃瓜群众除了CPU越贵越好之外，可能就一无所知了。曾经小编对于CPU也是一头雾水，后来请教了很多大神，又查阅了很多资料，才粗略地搞明白了一点。在此，小编就按照自己的理解，尽量用最通俗的语言去撕开CPU神秘的面纱，让更多人能够明白CPU。

CPU的中文翻译叫中央处理器，好吧，这其实只是一句废话，不过为了这个牛逼的翻译，我们也给它一个牛逼的比喻，那我们就把CPU比喻成一个国家的中央机构，接下来我们一一对应打比喻讲解。

影响CPU性能的主要因素可以分为两大块：主频和架构。这里看不懂不要紧，接下来听小编为你一一解释就懂了。

![最通俗的科普文：5分钟让你看懂CPU的结构和工作原理][5_CPU]

主频我们可以理解为中央部门的工作能力，架构可以理解为国家的管理制度，主要用于协调中央机构各部门之间的工作。所以整个中央机构的工作效率（CPU性能）主要就是受到这两个方面的影响。工作能力越高各部门之间协调越好，整体工作效率自然就越高。反之，任何一方面不够好，都会对整体工作效率造成明显的影响。

我们知道市面上最大的PC处理器主要由两大品牌Intel和AMD垄断，而大部分时间里，Intel都是压着AMD打的，原因就是因为AMD的架构不行，虽然主频对比Intel不落下风甚至稍微领先，但是整体性能却被Intel彻底压制了。这就是因为AMD的中央机构各部门协调能力比Intel差多了，所以即使工作能力差不多，但协调不好，所以整体工作性能就比不过了。不过这种情况在AMD推出锐龙系列CPU后就不存在了。

![最通俗的科普文：5分钟让你看懂CPU的结构和工作原理][5_CPU 1]

说完了性能接下来我们就来说说CPU的结构和工作原理。

CPU的结构主要由运算器、控制器、寄存器三大块组成。

①运算器就是中央机构里负责执行任务的部门，也就是专门干活的；而控制器就是中央机构的领导小组，针对不同是需要，给运算器下达不同的命令；寄存器可以理解为控制器和运算器之间的联络小组，主要工作就是协调控制器和运算器。

运算器这个干活的部门，平日里整个中央机构要干点啥事就找这个部门。例如东边洪灾了，你去赈灾吧；西边发现金矿了，你去主导挖矿吧；北边下大雪了，你去送温暖吧；南边下暴雨了，你去疏导洪流吧……

②而控制器这个部门比较牛逼，他们是不用干活的，主要就是对国家（整部计算机）发生的各种情况，做出应对，然后让运算器去把活干好。在这里，我们会发现一个大问题：如果这个部门闲的蛋疼，乱下命令怎么办？这也好办，我们就制定出一套行为规范来限制他们，不让他们乱搞。而这套行为规范就是CPU的指令集。

指令集就是CPU的行为规范，所有的命令都必须严格按照这部行为规范来执行。在这里说明一下不同类型的CPU指令集也不一样，其中最常见的就是X86架构下的复杂指令集和ARM架构下的简单指令集。X86就是我们平常电脑CPU的架构，ARM就是手机CPU的架构。

由于电脑CPU这个中央机构所在的国家（电脑）面积大、人口多、国情复杂，啥事都会发生，所以规章制度就需要特别完善，考虑到方方面面的情况要怎么应对。而手机CPU这个中央机构国家小、人口少、面积窄，所以规章制度简单一点就可以了。这就是复杂指令集和简单指令集的区别。

③寄存器这个部门稍微复杂一点，因为它虽然没有运算器和控制器那么重要，但是它P事多，控制器平时总喜欢让寄存器去给运算器传达个命令。而运算器有时候也会担心数据太多一时处理不过来，就让寄存器帮它先记着，有时候工作需要些笔啊、纸啊、螺丝刀之类的小工具，也让寄存器帮它拿着。

了解完寄存器的功能后，又发现了一个问题，如果控制部门下达的命令太多，而运算部门又没那么快可以做完，又或者运算器让它记住的东西或者临时拿着的东西太多，寄存器部门太小，人太少，忙不过来怎么办？好办，扩招人员吧，可是这个部门的人员都是编制内的，没有在编名额了怎么办？也好办，那就招些编外人员吧，也就是我们常说的临时工。

招了临时工，总要给他个名号吧，那就再成立一个部门，叫高速缓存。为了体现亲疏有别，这个部门把临时工分为三个等级，分别是一级高速缓存、二级高速缓存、三级高速缓存。反正也是临时工，名号就这么随便叫吧。

在CPU这个中央机构可跟新闻上说的事给临时工做、锅给临时工背不同，在这里高速缓存这个临时工部门是作为寄存器替补而存在的，也是说，必须在寄存器完成不了工作量时，才能交给高速缓存来做。一开始交给一级高速缓存来做，一级也做不完再给二级，二级还做不完就给三级。这里又有一个问题出现了，那就是如果三级也做不完怎么办？

这完全没问题，交给中央机构的一个下属部门去办，这个部门就是内存。但是因为内存毕竟不属于中央机构，工作能力没有中央机构人员那么强，效率也没有那么高。

所以控制部门要下达命令或者运算部门要做事时，首先想到的就是寄存器，寄存器忙不过来了就找高速缓存帮忙，高速缓存也忙不过来就找内存帮忙。那么，内存也传达不过来呢？内存传达不过来那就没办法了，只能让电脑先卡着吧，等运算部门先把上一件事处理好再说。所以，买电脑，不能光看CPU牛不牛，内存容量也要跟上。

![最通俗的科普文：5分钟让你看懂CPU的结构和工作原理][5_CPU 2]

还有一个容易被大家忽略的问题，在这里也说一下吧，那就是晶体管。晶体管是构成CPU最基础的原件，可以理解为整个中央机构的工作人员。随着科技的进步，CPU生产工艺越来越精细，目前手机端CPU（ARM架构）制程已经提升到7nm，电脑端也达到了14nm。

制程的提升，我们可以理解为，缩减每个办公人员的办公面积，以前科技不发达每个办公人员必须配一个独立办公室，才能有效完成工作，现在技术进步了，每个办公人员只需要一张办公桌就能完成工作了。所以同样的一栋大楼，可以容纳的办公人员（晶体管）就多了，工作能力就上升了。

以前一个CPU由于制程落后，只能容纳几千万或者几亿个晶体管，现在制程进步了，一个同样体积的CPU可以容纳几十亿个晶体管，性能自然就提升了。

那么，为什么晶体管数量增加了，CPU的能耗却没有增加呢？我们可以这么理解，每个工作人员都需要吃饱了才有力气干活，以前的工作人员需要吃九菜一汤才够力气，现在改为营养配餐了，每个工作人员只需要吃一片营养药丸就可以工作了，所以工作人员虽然增加了，但是整体伙食成本（耗电量）并没有增加。

![最通俗的科普文：5分钟让你看懂CPU的结构和工作原理][5_CPU 3]

最后，我们说一下CPU的核心和进程又是什么呢？我们可以这么理解，在单核时代，每个CPU只有一个核心，也就是只有一个中央机构，但是国家那么大，事那么多，中央机构每天加班25个小时都忙不完了。那就没办法了，扩充中央机构吧。于是乎双核、四核、多核CPU就出来了。每一个核心都是一个独立的中央机构，都具有相同的工作能力。

这么多个中央机构成立了，那听谁的，有事情交给哪个中央机构去做，要知道它们的权利和功能都是一样的啊。这时候就要改变CPU架构了，也就是国家的管理制度了。以前国家只有一个中央机构，啥事都交给它去做准没错，现在突然变成好几个中央机构了，怎么办？

这个时候就需要为每个核心安排去负责不同的事务了，这套中央机构专门负责农业，那套负责工业，剩下的负责税收、财政等等之类的。

那什么是进程呢，进程其实可以理解为一个中央机构里面的人员组成。有时候事太多了，光这几个中央机构处理起来还是有点吃力，但是为了节约成本，我们不能再组建新的中央机构了，那就只好折中处理，不另外成立新的中央机构了，就在原有的基础上，每个中央机构组建两套完全一致的工作班子吧。

所以，4核CPU就是拥有四个独立的中央机构，都具备相同的工作能力和权限，但是每个核心都会负责不同的事务。4核8线程就是四个独立的中央机构，每一个中央机构都拥有两套完整的工作班子，每套工作班子权限也一样。

![最通俗的科普文：5分钟让你看懂CPU的结构和工作原理][5_CPU 4]

这时候问题又出现了，例如某个中央机构负责的事特别多，忙不过来，而其他的中央机构负责的事很少，闲的发慌，那怎么办？这时候，我们的架构又出现了，好办！今天你这个核心负责的事多，就你来主导，让其他事少的核心辅助你工作。明天另外一个核心负责的事多，就由它来主导，其他核心辅助它工作。

在这里小编想起来一个网上很火的段子：MTK的CPU一核有难九核围观。这就是架构落后造成的，它的管理制度不完善，没办法调节每个中央机构之间的互相配合，有事情要做，往死里用一个核心，其他九个核心啥事没有，只好吃瓜围观了。

所以，在最后，小编重申一遍，CPU架构很重要！！！

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