CPU逻辑运算原理
计算机组成原理CPU运算方法(Part4)
一、加减法运算 二、乘法运算 三、除法运算 四、浮点数运算 五、算术逻辑运算单元
简单回顾—基本逻辑电路
与、或、非、多路选择器
AND/OR/INVERT/MUX
a b Out
a b
Out
0 0 1 1
0 1 0 1
0 0 0 1
a
b
Out
a b
+
Out
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
简单回顾—基本逻辑电路
与、或、非、多路选择器
AND/OR/INVERT/MUX
a
Out
a 0 1
Out 1 0Biblioteka a b0Out
1
d 0 1
Out a b
d
简单回顾—2的补码表示法
假设A由 假设 由an-1an-2…a1a0表示 最高位a 最高位 n-1为符号位
an-1= 0 表示 为正数 表示A为正数 an-1= 1 表示 为负数 表示A为负数
n
2.2 补码乘法（一位比较法，又称一位Booth法） 补码乘法（一位比较法，又称一位Booth法 Booth
令 Q−1 = 0 则
[ P]补 = [ M × Q]补 = [ M] 补 × Q 1 1 1 1 n n n = Qn−2 − Qn−1 [ M]补 2 + Qn−3 − Qn−2 [ M]补 2 + L+ 0 − Q0 [ M]补 2 L 2 2 2 2 P0 = 0 1 P1 = P0 + ( Q−1 − Q0 )[ M ] 补 2 n 2 1 P2 = P1 + ( Q0 − Q1 )[ M ] 补 2 n 变成分步算式： 变成分步算式： 2 M 1 Pi = Pi −1 + ( Qi − 2 − Qi −1 )[ M ] 补 2 n 2 M 1 Pn = P n −1 +( Qn − 2 − Qn −1 )[ M ] 补 2 n 2
通俗易懂CPU工作原理
通俗易懂CPU工作原理
本文旨在介绍CPU（中央处理器）的工作原理，以便读者能够更好地理解这一主要的电脑组成部分。
CPU（Central Processing Unit）的主要功能是将计算机运行程序的“指令”解码、分解，并依据指令对存储在内存中的数据进行运算处理和决策，最终完成对程序中指定任务的执行。
CPU的核心组件由处理器和控制器组成，处理器有ALU（算术逻辑单元）和用于执行指令的控制器组成。
ALU 可以接受指令，并对内存中的数据进行数学运算和逻辑运算，最终得出结果。
而控制器则负责接收从内存中读取的指令，并对其进行解析和运算，最终指示处理器对原有指令进行改变，完成数据处理或控制运算过程。
CPU的工作有两个重要的环节：计算和控制。
计算是按照逻辑程序对数据进行运算，如数学计算、比较等；控制则是按照控制信号指示，对运算以及存储器和输入输出设备的操作进行控制处理。
通过这两个环节，CPU可以完成机器指令要求的处理工作。
CPU的工作原理主要分为以下步骤：
1）从内存中读取指令；
2）将指令转换成指令信号；
3）转发信号，将指令信号传递给控制器；
4）根据信号指令，处理器执行相应的操作，例如加、减、乘、除等；
5）将处理结果写回到内存中。
以上就是CPU的工作原理，总的来说，CPU工作的过程就是一系列按照程序指令对程序中指定的数据进行数学运算和逻辑判断，最终完成计算机程序要求的任务的过程。
cpu原理是什么
cpu原理是什么
CPU原理是指中央处理器的工作原理。
CPU是计算机的核心
部件，负责执行和控制计算机的指令。
它包含控制器和算术逻辑单元（ALU）。
控制器负责解析并执行指令。
它从内存中获取指令，将其分解为不同的操作码和操作数，并指导ALU执行相应的操作。
控
制器还负责协调各个部件的操作，确保指令按照正确的顺序执行。
ALU是CPU的核心部分，用于执行各种算术和逻辑运算。
它
可以执行加、减、乘、除等算术运算，还可以执行与、或、非等逻辑运算。
ALU通过更改数据的位操作以实现这些运算。
CPU的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 指令获取：CPU从内存中获取下一条指令。
2. 指令解码：CPU将指令解析成操作码和操作数。
3. 操作执行：根据操作码和操作数执行相应的操作，这包括算术和逻辑运算、内存读写等。
4. 结果存储：将操作结果存储到寄存器或内存中。
5. 跳转判断：根据指令执行的结果判断是否需要跳转到其他指令。
6. 重复执行：重复以上步骤，从而执行完所有指令。
通过不断重复以上步骤，CPU能够执行任意复杂的计算任务。
CPU原理的优化和改进对于提高计算机性能非常重要，包括
提高处理速度、降低能耗以及增强并行计算能力等。
CPU的英文全称Central Processing Unit
CPU专题CPU的英文全称Central Processing Unit,中文名称即中央处理单元,也称为微处理器.中央处理器（Central Processing Unit，简写为CPU）的结构，CPU是决定电脑性能的核心部件。
CPU即中央处理单元，是英文Central Processing Unit 的缩写，是整个系统的核心，也是整个系统最高的执行单位。
它负责整个系统指令的执行，数学与逻辑的运算，数据的存储与传送，以及对内对外输入与输出的控制。
在向大家介绍CPU详细的情形之前，务必要让大家弄清楚到底CPU是什么？它到底有那些重要的性能指标呢？CPU的英文全称是Central Processing Unit，我们翻译成中文也就是中央处理器。
CPU（微型机系统）从雏形出现到发壮大的今天（下文会有交代），由于制造技术的越来越现今，在其中所集成的电子元件也越来越多，上万个，甚至是上百万个微型的晶体管构成了CPU的内部结构。
那么这上百万个晶体管是如何工作的呢？看上去似乎很深奥，其实只要归纳起来稍加分析就会一目了然的，CPU的内部结构可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。
CPU的工作原理就象一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料（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（存储器）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。
CPU作为是整个微机系统的核心，它往往是各种档次微机的代名词，如往日的286、386、486，到今日的奔腾、奔腾二、K6等等，CPU的性能大致上也就反映出了它所配置的那部微机的性能，因此它的性能指标十分重要。
在这里我们向大家简单介绍一些CPU主要的性能指标：第一、主频，倍频，外频。
经常听别人说：“这个CPU的频率是多少多少。
”其实这个泛指的频率是指CPU的主频，主频也就是CPU的时钟频率，英文全称：CPU Clock Speed，简单地说也就是CPU运算时的工作频率。
电子计算机的工作原理
电子计算机的工作原理电子计算机是一种利用电子器件进行信息处理的机器。
它的工作原理可以简单概括为输入、处理、输出的过程。
下面将对电子计算机的工作原理进行详细阐述。
首先，电子计算机接收输入的信息。
输入设备如键盘、鼠标、扫描仪等可以将外部的数据转化为计算机能够处理的形式。
当我们在键盘上敲下一个符号时，键盘会将这个符号转化为二进制数，然后将这个数发送给内存。
内存是计算机中用于存储数据和程序的地方，它的容量可以很大，可以存储大量的数据。
当信息被存储在内存中后，它就可以被计算机进行处理了。
接下来，电子计算机对输入的信息进行处理。
计算机的中央处理器（CPU）是整个计算机系统的核心部件，它负责执行计算机指令，对数据进行计算、比较和判断等操作。
CPU由运算器和控制器两部分组成。
运算器负责数值的计算，而控制器负责对指令的解析和执行。
当CPU接收到想要执行的指令时，它会从内存中读取指令并执行相应的操作。
CPU中的寄存器作为临时存储器件，能够存储需要被快速访问的数据，提高了计算效率。
在处理过程中，计算机需要进行数据的存储和运算。
计算机中的算术逻辑单元（ALU）负责进行各种算术和逻辑运算，包括加减乘除、布尔运算等。
ALU接收到指令后，根据指令的要求进行相应的运算，并将结果存储在寄存器或内存中。
另外，为了提高计算效率，计算机中还使用了高速缓存（Cache）和指令预取技术，减少了对内存的频繁读写，提高了计算速度。
最后，电子计算机将处理后的结果输出。
输出设备如显示器、打印机、音频设备等可以将计算机处理后的数据转化为人能够理解的形式。
与输入过程相反，输出过程将计算机内部处理结果转化为人可以通过感官器官接收的形式，从而能够使人对计算机的工作结果进行观察和评估。
总之，电子计算机的工作原理可以概括为输入、处理、输出的过程。
它通过输入设备接收外部数据，然后经过中央处理器的处理进行计算，最后将处理结果通过输出设备转化为人可以理解的形式。
这一过程中涉及到大量的电子器件的工作，如控制器、运算器、寄存器等，它们的协同工作使得电子计算机能够高效地完成复杂的数据和信息处理任务。
cpu计算的原理
cpu计算的原理
CPU（中央处理器）是计算机的核心部件之一，负责执行程序的指令和进行算术逻辑运算。
CPU的计算原理可以分为以下几个方面：
1. 指令获取：CPU从内存中获取指令，并将其加载到指令寄
存器中。
指令寄存器存储当前正在执行的指令。
2. 指令解码：CPU对指令进行解码，确定指令的类型和操作
对象。
3. 数据获取：如果指令需要操作数据，CPU将从内存或寄存
器中获取所需的数据。
4. 算术逻辑单元（ALU）运算：CPU使用ALU进行算术和逻
辑运算，如加法、减法、乘法、除法、与、或、非等。
5. 控制单元操作：控制单元控制指令的执行顺序和流程，并决定下一步应执行的指令。
6. 数据存储：CPU将计算结果存储回寄存器或内存中。
这样，后续指令可以使用这些结果。
7. 重复执行：CPU反复执行这个过程，直到程序执行完成。
CPU的计算原理实质上是不断重复的指令执行过程，通过指
令获取、解码、数据获取、运算、控制和数据存储等步骤，实现程序的执行和计算任务的完成。
这样的重复执行使得CPU 能够高效地完成各种计算任务。
2 寄存器(CPU工作原理)
注：当所保存的数据位数大于寄存器的位数时，高位的 ADD AX，BX 8226H 2000H 数据会丢失，称为数据溢出。
MOV BX，AX
ADD AX，BX
8226H+8226H=1044CH
8226H 044CH
AX=？
8226H 8226H
7
程序段中的指令 AX中的数据 BX中的数据 MOV AX，001AH 001AH 0000H MOV BX，0026H 001AH 0026H 注：当通用寄存器作为8位寄存器使用时，低8位和高8位相当于 ADD AL，BL 0040H 0026H 两个独立的寄存器，它们之间没有直接关系，不能产生进位。 ADD AH，BL 2640H 0026H ADD BH，AL 2640H 4026H MOV AH，0 0040H 4026H ADD AX，93H AX=？ ADD AL，85H 00C5H 4026H ADD AL，93H 0058H 4026H
BB 03 00
20009
2000A
add ax, bx
BB 03 00
执行控制器
25
CPU
内存
B8 23 地址加法器 01 BB 20008 03 00 地址 89 总线 D8 20006 01 20008 D8
89 D8 输入输出 数据 总线 控制电路 20000 20001 mov ax,0123H
mov bx,0003H
指令缓冲器
mov ax, bx
其他 部件
add ax, bx
执行控制器
23
CPU
内存
20000 20001 mov ax,0123H
B8 23 地址加法器 01 AX 0123 CS 2000 BB 20003 20000 03 BX IP 0000 0003 00 若当前CPU中的状态为： 地址 89 CS=2000，IP=0000 总线 D8 指令缓冲器 20000 B8 23 01 其他 01 20000 部件 20003 D8
微型计算机的基本结构3篇
微型计算机的基本结构第一篇：微型计算机的基本结构概述微型计算机（Personal Computer，简称PC）是一种广泛应用于个人日常工作和娱乐等方面的计算机，其基本结构由五个部分构成，分别是中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）、存储器、输入设备、输出设备和系统总线。
1. 中央处理器中央处理器是微型计算机最核心的部分，它是负责处理各种指令和数据的大脑。
CPU的性能直接影响着计算机的整体运行速度，因此在选择CPU时需要根据自己的需求选购合适的型号。
CPU主要由控制器和算术逻辑单元组成，其中控制器负责指导CPU完成各种操作，而算术逻辑单元则负责实现各种算术和逻辑运算。
除此之外，CPU还包括寄存器和高速缓存，它们的作用是缓存一些频繁使用的指令和数据，以提高CPU的运行效率。
2. 存储器存储器是微型计算机中用于存储数据和指令的部分，包括随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）。
RAM是计算机中最常见的存储器，它可以被操作系统和应用程序用来存储临时数据和程序代码。
RAM的容量通常按照兆字节（Megabyte，简称MB）或者千字节（Kilobyte，简称KB）来计算，容量越大，能够同时存储的数据和程序代码就越多。
ROM是一类只能读取，不能写入的存储器，其中记录了一些固定的程序代码和数据。
ROM中的程序和数据不会被操作系统和应用程序改变，因此可以保证系统的稳定性和安全性。
3. 输入设备输入设备是用来输入数据和指令到计算机中的设备，常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
键盘是计算机最常见的输入设备，可以输入各种文字和命令；而鼠标则可以通过移动鼠标指针来控制计算机的操作。
4. 输出设备输出设备是用来将计算机处理的结果显示给用户的设备，常用的输出设备有显示器、打印机、音响等。
其中显示器可以显示计算机处理的图像和文字，而打印机则可以将计算机处理的结果打印出来。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CPU逻辑运算原理第一季继电器先不要扯什么图灵，冯诺依曼这些先贤。
因为他们都太遥远。
计算机一切计算的源头其实是源自一个非常非常中二的东西：“继电器（Relay）”。
继电器是什么鬼？看下图，其实就是一个线圈利用电磁感应做成的电磁铁。
原理和“电报机”一样，当开关闭合，黄色电路通电，线圈是金属棒变成磁铁，吸引中间的小开关（Anker），接通右边灰色的电路，点亮灯泡。
简单说，就是你在家一按开关，隔壁老王家的灯亮了。
第二季“反相器”和“非门”为什么说继电器是个很中二的东西？因为这不就是开关吗？我按了它才亮，不按绝对不亮。
但CPU真就是这货发展而来的。
它的变种就开始好玩了。
最简单的一个变种，就是“反继电器”，或者叫“反相器（Inverter）”。
就是隔壁老王家的灯本来是亮着的，我手上的开关一按，灯就灭了。
"反相器"到了现代计算机里，就叫做“非门（NOT Gate）”。
本来开关T1是接通的，Output是1（5V高位电平）。
一旦闭合开关T1，电路中断，输出变为0（1V低位电平）。
“非门”用下面这个符号表示。
简单说，就是输出永远和输入是反的，输入1，输出就是0。
输入0，输出就是1。
第三季逻辑门家族和“非门”一样，我们能得到一堆其他特性的门。
比如，“与门（AND Gate）”，就是两个开关串联。
必须两个开关同时闭合，灯泡才能亮。
“或门（OR Gate）”，两个开关并联，只要其中一个开关闭合，灯泡就会亮。
长话短说，下图是所能得到的几个基本“逻辑门（Logic Gates）”。
虽然看上去比较复杂，但“逻辑门”在本质上和之前讲的“继电器”都是“控制电路”。
或者说都是我手里握着控制老王家花式吊灯的各种开关。
老王一定很郁闷。
第四季逻辑逻辑门虽然被我说得很淳朴，就是控制隔壁老王家吊灯的开关。
但其中却可能蕴含着人类大脑，甚至是这个世界终极奥义的一部分：逻辑（Logic）。
这也是为什么它被叫做逻辑门。
爱因斯坦曾说过：世界上最不可思议的事情,就是这个世界是可以被“理解”的。
简直是细思极恐有木有！最简单的例子，亚里士多德给出的经典“Barbara”三段论：如果所有人（M）都是必死的（P），（大前提）并且所有希腊人（S）都是人（M），（小前提）那么所有希腊人（S）都是必死的（P）。
（结论）数学上，一个形式系統（Formal system）的野心就是想通过一组公理，和逻辑推理过程，来描述和证明我们的客观世界。
说到这里我们计算机的祖师爷们就都出来了：莱布尼兹，康托尔，布尔，图灵，等等等等。
著名的图灵机就是在这个议题的争论中无心插柳的副产品。
这个主题无法展开。
感兴趣推荐看《逻辑的引擎(豆瓣)》这本书。
这里只举一个最简单的“布尔代数（Boolean algebra）”的例子：我喜欢（长头发）的（不是）（蛇精脸）的女生用布尔代数来表示就是：长头发AND （NOT 蛇精脸）说到这里，是不是和前面说的逻辑门联系起来了？第五季逻辑电路但是逻辑是逻辑，继电器是继电器，就算上面的花式继电器也是继电器。
把逻辑和继电器联系起来的是一位不得不提的大师，克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）和他的那篇史上最牛硕士论文：《继电器与开关电路的符号分析》。
绝对最牛，没有之一！还是之前那个例子：我喜欢（长头发）的（不是）（蛇精脸）的女生如果：A代表：长头发B代表：蛇精脸那我喜欢的女生就可以写成一个布尔函数：把一个逻辑命题用符号写成一个公式有什么用呢？那是因为这样就可以很方便地转换成一个“逻辑表决器”，如下图。
原理很简单，当A=1时，纵向的A总线为1。
当A=0时，总线输出1。
B也是如此。
最后的输出线搭在A总线和总线上，用个与门连接。
所以只有当A的输入为1，B的输入为0时，Out才为1，代表我能接受这个女孩。
不信大家可以人肉推演一下。
理论上任何布尔函数，都能转换成上面这样的表决器。
就好像电路有了人类逻辑思考的能力。
第六季“图灵机”和“累加器”总算要说到计算机的祖师爷图灵（Turing）了。
图灵机模型，相比上面说到的逻辑电路，要多一个“存储器”。
因为根据图灵机模拟人类计算时大脑的工作状态的模型，人类的任何计算都可以抽象成一个机械化的过程。
考虑5+7=12这个加法。
5加7等于12，写下2，然后心中默记产生一个进位。
最终写成12。
5+ 7-----12换成二进制，是一个道理，0000 0101+ 0000 0111-------------0000 1100其中每一位的加法还是能分解成两个动作：1.同一位的两个数字相加2.如果当前位结果大于1，则向前进一位第一个动作可能的结果（真值表）有：0 XOR 0=01 XOR 0=10 XOR 1=11 XOR 1=0这个真值表和一个简单的“异或门”是一致的。
第二步进位，只有1+1才需要进位1，所以真值表如下：0 AND 0=01 AND 0=00 AND 1=01 AND 1=1这和“与门”的真值表是一致的。
所以把一个“异或门”和一个“与门”组合到一起，就构成了一个“一位半加器”：但事实上一位半加器只适用于末位数的加法。
高位的二进制加法需要考虑3个输入，就是还需要额外考虑上一位得到的进位。
这个过程可以用两个半加器来完成。
两个半加器组合起来，构成一个完整的“一位全加器”。
把8个这样的一位全加器组合起来，就构成了一个“八位全加器”：从最末尾开始相加，刚才的5+7：00000101 + 0000 0111反过来就变成：1010 0000+ 1110 0000-------------0011 0000把最初的进位c_in设为0，得到的结果反过来就是：0000 1100 = 12。
至此，计算机好像拥有了人脑的部分智能。
既然一组逻辑门，能计算加法，就一定能做减法，乘法，除法，和其他计算。
第六季寄存器加减乘除远远不是逻辑门能做的全部事情。
实际上电脑里出了硬盘，风扇，电池，其他几乎全是由逻辑电路和逻辑门组成的，包括我们说的存。
说存先要说一下寄存器。
这东西我觉得是比CPU更神奇的一个东西。
绝对是一大黑魔法。
用几个简单的逻辑门，就能在不断电的情况下一直”记住“上次的输入值。
最简单的储存部件叫“SR锁存器（Latch）”。
其实就是两个“或非门”。
再看一眼或非门的真值表：只有两个输入都为0，才输出1。
0 NOR 0 = 11 NOR 0 = 00 NOR 1 = 01 NOR 1 = 0其中具体电流怎么通过互相博弈达到稳态的细节就不展开了。
总之这个黑科技的最终效果就是：假设初始状态都是零：S=0, R=0。
输出Q=0，=0当S端给个信号1，输出Q=1，=0当S端变回信号0，输出还是保持Q=1，=0也就是说，这个元件记住了之前S端的输入1。
直到我们把R端设为1，输出Q才变回0。
虽然这个SR锁存器离我们真实的“RAM存”还很遥远。
但让逻辑门产生“记忆”的核心逻辑稳态锁就是这么简单的两个或非门。
当我们把SR锁存器的两个输入端捏合成一个D输入端，再加上一个由时钟信号控制端E，就得到一个更高级的“时序D锁存器”。
如果不想头痛，只要记住这是一个能在时钟开关E打开的情况下，记住D输入端进来的信号的装置。
之后我们一直可以从Q端得到之前D端的值。
如果再复杂一点，把两个相反的时序D锁存器组合在一起，就能构成一个“D触发器（D Flip Flop）”：触发器和之前的锁存器的区别是，只有当时钟信号处在上升沿（从1V向5V跃迁）的一瞬间，D端的输入值才能写入触发器。
并在随后的时间，只要没有新的D输入写入，Q一直保持这个值。
D触发器离我们的存就没那么远了。
只要再套上一个用于寻址的“解码器”和之前说过的“选择器”，就能实现从特定一组触发器中读取数据的效果啦。
所以我们都知道CPU需要时钟来同步时序电路。
但这个晶振时钟并不是像想象的那样直接作用在ALU（逻辑运算单元）上，而是通过寄存器来实现时序控制。
感兴趣的可以看这个回答：为什么CPU需要时钟才能工作？- 胖胖的回答第七季硬件V.s. 软件虽然，几乎所有计算都能设计出一个专门的逻辑运算器。
但这样做似乎并不明智，否则逻辑部件的数量将以指数级增长。
一个合理的方案，应该是用硬件实现部分必须的基础计算功能，然后已软件的方式，利用基础计算单元，完成复杂计算。
就好像做乘法，不需要设计一个专门的“乘法器”，而是重复多次加法运算即可。
这里就是所谓软件开始介入的地方。
也就是所谓的“算法”开始放发挥作用，虽然并不是硬件无法胜任这项工作，而是把复杂性交给软件来处理似乎更合理。
从此，在硬件这棵树上，开出了软件这朵花。
也就有了”程序员“这个严重伤害颈椎和腰椎的职业。