CPU是如何进行计算的？全面解析CPU计算原理

CPU 全称 Central Processing Unit，中文翻译为中央处理器。

你知道CPU吗？其实我们身边好多东西都用到了它，比如智能手表、手机、电脑。如果这些设备想要正常运行，就必须得有CPU。比如华为手机的麒麟990处理器，其实就是CPU的一种。

CPU组成

接下来我们先了解一下CPU是由哪几部分组成的：

CPU组成

控制单元（Control Unit，CU）：控制单元是CPU的重要组成部分，它负责控制计算机的操作。控制单元从内存中读取指令，解码指令并控制计算机的各个部件执行指令。

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：算术逻辑单元是CPU的另一个重要组成部分，它负责执行算术和逻辑运算。算术逻辑单元可以执行加、减、乘、除等算术运算，也可以执行与、或、非等逻辑运算。

寄存器（Register）：寄存器是CPU内部的一组高速存储器件，用于存储指令和数据。CPU可以从寄存器中读取数据，也可以将数据写入寄存器中。

时钟，负责发出CPU开始计时的时钟信号。

缓存（Cache）：缓存是CPU内部的一种高速缓存存储器，用于存储最近使用的指令和数据。缓存可以提高CPU的运行速度，减少对内存的访问次数。

由上述可知，ALU是负责计算的，所以我们本文的重点也是ALU。其实不管是ALU还是其他部分，甚至整个CPU都是由门电路组成的。那么基本的门电路都有哪些呢？

门电路

And门：

Or门

Not门

这么门可以随意组合，比如：

And3门

Xor门

16位加法器

多路复用器

等等，这些门电路一点点的由最初的And门、Or门、Not门，一步步组装成成Xor门、多路复用门等等，就这样一路组装下去，最终就可以组装成一个简单的ALU。需要注意的是ALU本质与Xor门或者多路复用门并没有本质上的区别，只不过ALU比他们更复杂了一下、输入的参数比他们的更多了，仅此而已！

CPU计算原理

最终我们组装出来了，稍微复杂一点的ALU：

其中zx、nx、zy、ny、f、no 都是控制指令的输入

zr、zg是标识位，zr用来标识out是否为0,为零时，zr被设置为1

zg用来标识out是否为负数，为负数时，zg为设置为1

这是ALU对应的真值表

也就是说当zx=0 nx=0 zy=0 ny=1 f=1 no=1时ALU计算是 y-x

（如果想要让 zx=0 nx=0 zy=0 ny=1 f=1 no=1时ALU计算是 y+x 可以不？当然可以，取决于你怎么组装ALU，不同的组装方式，同样控制指令表达的意义是不一样的。

本文这种组装方式，使得 当zx=0 nx=0 zy=0 ny=1 f=1 no=1时ALU计算是 y-x）

至此的话，如果我们通过编程语言或者计算器计算

2-1

经过层层转化后，达到ALU的指令为

x=1

y=2

zx=0

nx=0

zy=0

ny=1

f=1

no=1

然后经过ALU的计算后，其输出的结果为

out=1

zr=0

zg=0

拿到ALU的输出数据后，经过层层转化，最后在屏幕或者显示器上显示结果

1

即如图：

计算机计算2-1的结果