Eine CPU (Central Processing Unit) wird hierarchisch organisiert, wobei verschiedene Ebenen zusammenarbeiten, um Anweisungen auszuführen. Wir können es in mehrere Schlüsselkomponenten und ihre Beziehungen unterteilen:
1. Die Kern (s): Dies ist das Herz der CPU. Moderne CPUs haben oft mehrere Kerne, die jeweils unabhängig von Anweisungen ausführen können. Jeder Kern enthält:
* arithmetische Logikeinheit (Alu): Führt Arithmetik (Addition, Subtraktion usw.) und logische Operationen (und, oder, nicht usw.) für Daten durch.
* Steuereinheit (Cu): Ruft Anweisungen aus dem Speicher ab, dekodiert sie und koordiniert die Ausführung von Anweisungen durch die ALU und andere Komponenten. Es verwaltet den Datenfluss und Anweisungen im Kern.
* Register: Kleine, sehr schnelle Speicherorte im Kern. Register halten Daten und Anweisungen, an denen Alu und Cu derzeit arbeiten. Sie sind entscheidend für die Geschwindigkeit, da der Zugriff auf Register weitaus schneller ist als der Zugriff auf den Hauptspeicher.
* Cache -Speicher: Ein kleiner, extrem schneller Speicher, der sich auf oder sehr nahe am Kern befindet. Es speichert häufig auf Daten und Anweisungen zugegriffen, um die Ausführung weiter zu beschleunigen. Es gibt mehrere Cache -Ebenen (L1, L2, L3), wobei L1 der schnellste und kleinste und L3 der langsamste und größte ist.
2. Verbindungen: Dies sind Wege, die verschiedene Teile der CPU verbinden und die Daten zwischen ihnen verschieben:
* Bussystem: Eine Reihe von elektrischen Wegen, die Daten, Adressen und Steuersignale zwischen verschiedenen Komponenten der CPU sowie zwischen der CPU und anderen Teilen des Computersystems (wie Speicher- und I/A -Geräte) tragen. Verschiedene Busse behandeln verschiedene Arten von Informationen.
3. Speicherverwaltungseinheit (MMU): Diese Komponente übernimmt die Übersetzung virtueller Adressen (von Programmen verwendet) in physische Adressen (tatsächliche Standorte im RAM). Dies ist entscheidend für Multitasking und Speicherschutz.
4. Andere Komponenten: Abhängig von der CPU -Architektur können andere Komponenten einbezogen werden:
* Floating-Punkt-Einheit (FPU): Spezialisierte Einheit zum Umgang mit Gleitkomma-Arithmetik (Zahlen mit Dezimalpunkten), entscheidend für wissenschaftliche und grafische Anwendungen.
* Vektorverarbeitungseinheiten: Einheiten, die den gleichen Betrieb an mehreren Datenpunkten gleichzeitig ausführen können (SIMD - Einzelbefehl, mehrere Daten).
Der Anweisungszyklus: Der Kern arbeitet durch einen kontinuierlichen Zyklus:
1. Fetch: Die CU holt den nächsten Anweisungen aus dem Speicher (oft unterstützt durch Cache).
2. Decodieren: Die CU decodiert die abgerufene Anweisung, um zu bestimmen, welche Vorgänge durchgeführt werden sollen und welche Daten verwendet werden sollen.
3. Ausführen: Der Alu führt den Vorgang mit Daten aus Registern oder Speicher aus.
4. Speicher: Das Ergebnis des Vorgangs wird in einem Register oder Speicher gespeichert.
Zusammenfassend: Die CPU ist ein komplexes, hoch organisiertes System, das Anweisungen effizient ausführt. Die Organisation konzentriert sich darauf, die Zeit zu minimieren, die benötigt wird, um Daten abzurufen, zu dekodieren, auszuführen und zu speichern, hierarchische Gedächtnisstrukturen und parallele Verarbeitungstechniken zu verwenden, um die Leistung zu maximieren. Die Wechselwirkung zwischen den Kernen, Cache, Registern und der Steuereinheit definiert die Gesamtfunktion der CPU.
