1.1 · CPU 架构

目标： 说出 CPU 主要部件、解释各自功能、推理 CPU 性能。

CPU 做什么

中央处理器 (CPU) 是电脑的大脑。它的唯一工作是执行指令 —— 每秒数十亿条。

主要部件

            ┌──────────────── CPU ──────────────────┐
            │                                       │
 ┌────┐     │   ┌─────────────┐   ┌──────────┐     │
 │ ⏤ │ ──▶ │   │ Control Unit │ ─▶│ Registers│     │
 └────┘     │   └─────┬────────┘   └────▲─────┘     │
            │         │                 │           │
            │   ┌─────▼────────┐  ┌─────┴──────┐    │
            │   │     ALU      │  │ Cache (L1) │    │
            │   └──────────────┘  └────────────┘    │
            └───────────▲──────────────────▲────────┘
                        │   系统总线        │
                        ▼                  ▼
                  ┌──────────┐      ┌──────────┐
                  │  RAM     │      │ I/O 设备  │
                  └──────────┘      └──────────┘

部件	角色
控制单元 (CU)	取指与解码；向其他部件发控制信号
算术逻辑单元 (ALU)	执行算术（+ − × ÷）与逻辑（AND OR NOT、比较）
寄存器 Registers	CPU 内部的微小、超快储存，保存当前指令与其操作数
缓存 Cache	CPU 附近的少量快速内存，存最近使用的数据
总线 Buses	在部件间传递数据、地址、控制信号的电路

你应认识的关键寄存器

寄存器	全称	保存
PC	Program Counter 程序计数器	下一条指令的地址
IR	Instruction Register 指令寄存器	当前正在解码的指令
MAR	Memory Address Register 内存地址寄存器	CPU 即将读 / 写的地址
MDR	Memory Data Register 内存数据寄存器	与内存间传输的数据
ACC	Accumulator 累加器	算术过程中的中间值

在考场

可能给你一张标注的 CPU 图问哪个寄存器存什么。至少记 PC、IR、MAR、MDR、ACC。

CPU 速度如何度量

• 时钟频率 单位 GHz（10⁹ 周期 / 秒）。3 GHz = 每秒 30 亿个时钟节拍。
• 3 GHz 下一个时钟周期 ≈ 0.33 ns。
• 现代 CPU 每周期可做多个操作（流水线、超标量）。

要记的时间单位：

单位	时间
1 ms（毫秒）	10⁻³ s
1 μs（微秒）	10⁻⁶ s
1 ns（纳秒）	10⁻⁹ s
1 ps（皮秒）	10⁻¹² s

CPU vs GPU

课程指引明确点名两种处理单元：

单元	强项	用于
CPU	顺序、复杂逻辑快	OS、浏览器、任何通用任务
GPU	并行简单数学快	图形渲染、AI 训练、科学计算

现代笔电两者都有：CPU 跑 OS，GPU 画屏幕。

什么影响性能

• 时钟速度 —— 每秒更多节拍。
• 核心数 —— 一颗芯片多个 CPU 可并行做事。
• 缓存大小 —— 更多片内缓存减少慢 RAM 访问。
• 字长 —— 总线越宽（32 位、64 位）每周期传输越多数据。
• 流水线 / 分支预测 —— 高级技巧，不在课程内。

考试式题目

题（4 分）： 描述控制单元、ALU、寄存器的功能，解释缓存如何改善 CPU 性能。

参考答案：

• 控制单元 (CU)： 解码指令并发控制信号指挥其他组件；协调 fetch–decode–execute 循环。
• ALU： 对寄存器提供的数据执行算术与逻辑运算。
• 寄存器： CPU 内部极小极快的储存，存放正在解码的指令、操作数与中间结果。
• 缓存： 位于 CPU 与主存之间；储存最近使用的数据与指令以便 CPU 纳秒级取得，免等慢 RAM。这降低平均内存访问时延、提升整体吞吐。

关键要点

• CPU = CU + ALU + 寄存器（+ 现代芯片的缓存）。
• 常见寄存器：PC、IR、MAR、MDR、ACC。
• 性能随时钟、核心、缓存、字长而长。
• CPU 通用；GPU 专攻并行数学。

➡️ 下一节：1.2 Fetch–Decode–Execute