CPU，也称为微处理器，是计算机的心脏和/或大脑。让我们深入了解计算机的核心，以帮助我们有效地编写计算机程序。
工具通常比机器更简单;它通常与手一起使用，而机器经常通过动力或蒸汽动力移动 — Charles Babbage
计算机是一种主要由电力驱动的机器，但其灵活性和可编程性有助于实现工具的简单性。 CPU是计算机的核心和大脑，并执行提供给它的指令集。CPU的主要工作是执行算术和逻辑运算并一起编排操作指令集。在深入了解主要部分之前，我们先来看看CPU的主要组件是什么以及它们的作用是什么： 处理器的两个主要组件
- 控制单元：CU(control unit)
- 算数与逻辑单元：ALU
控制单元—CU
控制单元CU是CPU的一部分，可帮助协调指令的执行。它告诉我们该做什么。根据该指令，它有助于激活将CPU连接到包括ALU在内的计算机的其他不同部分的电线。控制单元是CPU接收处理指令的第一个组件。 控制单元有两种形式：
- 硬连线控制单元。
- 可编程（微编程）控制单元 硬连线控制单元是硬件，需要更改硬件以修改它的工作，因为可编程微控制器控制单元可以改变其行为。硬连线CU在处理指令方面更快，而可编程可更灵活。
算术逻辑单元—ALU
算术和逻辑单元ALU正如其名字含义一样，进行所有算术和逻辑计算。 例如ALU执行加法，减法等操作。ALU由执行这些操作的逻辑电路或逻辑门组成。
大多数逻辑门具有两个输入和一个输出。
波纹管是半加法器电路的一个例子，它接收两个输入并输出结果。这里A和B是输入，S是输出，C是进位。
存储 - 寄存器和内存
CPU的主要工作是执行提供给它的指令。要在大多数情况下处理这些指令，它需要数据。一些数据是中间数据，其中一些是输入，另一些是输出。这些执行指令所需的数据存储在以下存储中：
寄存器(register)
寄存器是一小组可以存储数据的地方。寄存器是锁存器的组合。锁存器也称为触发器，是存储1位信息的逻辑门的组合。
锁存器有两根输入线，写入线和输入线以及一根输出线。我们可以使写入线更改存储的数据。禁用写入线时，输出始终保持不变。
CPU使用寄存器来存储输出数据。因为它是中间数据，所以发送到主存储器（RAM）会很慢。该数据被发送到由BUS连接的其他寄存器。寄存器可以存储指令，输出数据，存储地址或任何类型的数据。
内存(RAM)
RAM是一个寄存器集合，以优化的方式排列和紧凑在一起，以便它可以存储更多数据。 RAM（随机存取存储器）是易失性的，当我们关闭电源时它的数据会丢失。由于RAM是读/写数据寄存器的集合，RAM接收8位地址的输入，用于存储的实际数据的数据输入以及最终用于锁存器的读写使能器。
什么是指令集？
指令是计算机可以执行的最小粒度级计算。 CPU可以处理各种类型的指令。 指令包括如下方面：
- 算术运算，如加法，减法
- 逻辑运算，如and、or、not
- 数据指令，如移动，输入，输出，加载和存储
- 控制流指令，如goto，if ... goto，call和return
- 通知CPU程序已结束Halt
指令使用汇编语言提供给计算机，或者由编译器生成或以某些高级语言解释。 这些指令在CPU内部硬连线。 ALU包含算术和逻辑，其中控制流由CU管理。 在一个时钟周期中，计算机可以执行一条指令，但现代计算机可以执行多条指令。 计算机可以执行的一组指令称为指令集。
CPU时钟
时钟周期 计算机的速度由其时钟周期决定。它是计算机每秒钟的时钟周期数。单个时钟周期非常小，大约250 * 10 * -12秒。处理器的时钟周期越快。 CPU时钟周期以gHz（千兆赫兹）为单位。 1gHz等于10⁹Hz（赫兹）。赫兹意味着第二个。所以1千兆赫表示每秒10⁹周期。 时钟周期越快，CPU可以执行的指令就越多。时钟周期= 1 /时钟速率CPU时间=时钟周期数/时钟速率 这意味着通过优化我们提供给CPU的指令来改善CPU时间，我们可以提高时钟速率或减少时钟周期数。某些处理器提供了增加时钟周期的能力，但由于它是物理变化，因此可能存在过热甚至冒烟/火灾。
一个指令如何被执行
指令按顺序存储在RAM中。对于假定的CPU，指令由OP代码（操作代码）和存储器或寄存器地址组成。 控制单元指令寄存器（IR）内有两个寄存器，用于加载指令的OP代码和指令地址寄存器，用于加载当前执行指令的地址。 CPU内部还有其他寄存器，用于存储存储在指令最后4位地址中的值。 让我们举一个添加两个数字的指令的例子。以下是指令以及说明：
- STEP 1 — LOAD_A 8: 该指令最初保存在RAM中，比如说<1100 1000>。前4位是操作码。这决定了指令。该指令被提取到控制单元的IR中。该指令被解码为load_A，这意味着它需要将地址1000中的数据加载到寄存器A的指令的最后4位。
- STEP 2 — LOAD_B 2： 与上面类似，这将存储器地址2（0010）中的数据加载到CPU寄存器B.
- STEP 3 — ADD B A： 现在下一条指令是添加这两个数字。这里CU告诉ALU执行添加操作并将结果保存回寄存器A.
- STEP 4 — STORE_A 23： 这是一组非常简单的指令，可以帮助添加两个数字。 自此我们成功相加了两个数字。
总线(Bus)
CPU，寄存器，存储器和IO设备之间的所有数据都通过总线传输。要将数据加载到刚刚添加的存储器中，CPU将存储器地址写入地址总线，并将总和的结果写入数据总线，并在控制总线中启用正确的信号。通过这种方式，数据在总线的帮助下加载到存储器中。
缓存(Cache)
CPU还具有将指令预取到其缓存的机制。据我们所知，处理器可以在一秒钟内完成数百万条指令。这意味着从RAM中获取指令所花费的时间比执行它们要多。因此，CPU缓存会预取一些指令和数据，以便执行速度更快。 如果高速缓存和操作存储器中的数据不同，则数据被标记为脏位。
指令流水线
现代CPU使用指令流水线操作来执行指令并行化。获取，解码，执行。当一条指令处于解码阶段时，CPU可以处理另一条指令用于获取阶段。
当一条指令依赖于另一条指令时，这就会有一个问题。因此，处理器执行不依赖且按不同顺序的指令。
多核计算机
它基本上是不同的CPU，但有一些共享资源，如缓存。 性能(Performance) CPU的性能由它的执行时间决定，性能 = 1/执行时间。假设一个程序执行需要20ms。 CPU的性能是1/20 = 0.05ms，相对性能 = 执行时间1/执行时间2。 CPU性能考虑的因素是指令执行时间和CPU时钟速度。因此，为了提高程序的性能，我们需要提高时钟速度或减少程序中的指令数。处理器速度有限，具有多核的现代计算机可以每秒支持数百万条指令。但是如果我们编写的程序有很多指令，这将降低整体性能。 大O表示法根据给定的输入确定性能将受到怎样的影响。 在CPU中进行了大量优化，以使其更快，并尽可能多地执行。在编写任何程序时，我们需要考虑如何减少我们提供给CPU的指令数量将提高计算机程序的性能。
