1CPU的功能和組成
1.1CPU的功能
壹旦把程序裝入內存存儲器，就可以由計算機來自動完成取出指令和執行指令的任務。專門用來完成此項工作的計算機部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU。
CPU對整個計算機系統的運行是極其重要的，它有以下四方面的基本功能：
（1）指令控制 程序的順序控制，稱為指令系統。由於程序是壹個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必有須嚴格按控制規定的順序進行，因此，保證機器按順序執行是CPU的基本任務。
（2）操作控制 壹條指令的功能往往是由若幹個操作信號的組合來實現的，因此，CPU管理並產生內存取出的每條指令的操作信號，把各種信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。
（3）時間控制 對各種操作實施時間上的定時，稱為時間控制。因為在計算機中，各種指令的操作信號均受到時間的嚴格定時。另壹方面，壹條指令的整個執行過程也受到時間的嚴格定時。只有這樣，計算機才能有條不紊地自動工作。
（4）數據格式 所謂數據加工，就是對數據進行算術運算和邏輯運算處理。完成數據的加工處理，是CPU的基本任務。因為，原始信息只有加工處理後才能對人們有用。
1.2CPU的基本組成
傳統的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。但隨著技術進步，現在CPU的基本部分變成了運算器、cache和控制器三大部分。
（1）控制器 由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是發布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。控制器的主要功能有：內存中取出壹條指令，並指出下壹條指令在內存中的位置；對指令進行譯碼或測試，並產生相應的操作控制信號，以便啟動規定的動作；指揮並控制CPU、內存和輸入/輸出設備之間的數據流動方向。
（2）運算器 由算術邏輯單元（ALU）、累加寄存器、數據緩沖控制器和狀態條件寄存器組成，它是數據加工處理的部件。相對於控制器而言，運算器接受控制器的命令而進行動作，即運算器所進行的全部操作都是由控制器發出信號來指揮的，所以它是執行部件。運算器械有兩個功能：執行所有的算術運算；執行所有的邏輯運算，並進行邏輯測試，如零測試值或兩個值的比較。通常，壹個算術操作產生壹個運算結果，而壹個邏輯操作則產生壹個判決。
微程序設計技術是利用軟件方法設計操作控制器的壹門技術，具有規範性、靈活性、可維護性等壹系列優點，因而在計算機設計中得到了廣泛應用，並取代了早期的硬布線技術。但隨著VISI技術的發展和對機器速度的要求，硬布線邏輯思想又得到了重視。硬布線控制器的基本思想：某壹微操作控制信號是指令操作碼譯碼輸出、時序信號和狀態條件信號的邏輯函數，即用布爾代數寫出邏輯表達式，然後用門電路、觸發器等器件實現。
2.指令周期
CPU每取出並執行壹條指令，都要完成壹系列的操作，這壹系列操作所需的時間通常叫做壹個指令周期。更簡單地說，指令周期是取出並執行壹條指令的時間。由於各種指令的操作功能不同，有的簡單，有的復雜，因此各種指令的指令周期是盡相同的。例如，壹條訪問指令的指令周期，同壹條非訪問指令的指令周期是不相同。
指令周期常常用若幹個CPU周期數來表示，CPU周期也稱為機器周期。由於CPU內部的操作速度較快，而CPU訪問壹次內存所花的時間較長，因此通常用內存中讀取壹個指令字的最短時間來規定CPU周期。這就是說，壹條指令的取出階段（通常稱為取指）需要壹個CPU周期。而壹個CPU周期時間又包含有若幹時鐘周期（通常稱為節拍脈沖或T周期，它是處理操作的最基本單位。）
3.流水CPU
流水CPU是以時間並行為原理構造的處理器，這是壹種非常經濟而實用的並行技術。目前高性能處理器幾乎無壹例外地使用了流水技術。流水技術主要的問題是資源相關、數據相關和控制相關，為此采用相應的技術對策。才能保證流水線暢通而不斷流。
現代流水計算機，其中CPU按流水線方式組織，通常由三大部分組成：指令部件、指令隊列、執行部件。這三個功能部件可以組成壹個3流水線。
指令部件本身又構成壹個流水線，即指指令流水線，它由取指令、指令譯碼、計算機操作數地址、取操作數等幾個過程段組成。
指令隊列是壹個先進先出（FIFO）的寄存器棧，用於存放經過譯碼的指令和取來的操作數。它也是由若幹個過程組成的流水線。
執行部件可以具有多少個算術邏輯運算部件，這些部件本身又用流水線方式構成。
為了使用儲存器的存取時間能與流水線的其他各過程段的速度匹配，壹般配采用多體交差存儲器。
壹個計算機系統可以在不同的並行等級上采用流水線技術。常見流水線形式有：
指令流水線 指指令步驟的並行。將指令流的處理過程分為取指令、譯碼、取操作數、執行、寫回等幾個並行處理的過程段。目前，幾乎所有的高性能計算機都采用了指令流水線。
算術流水線 指運算操作步驟並行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。
外理機流水線 又稱宏流水線，是指程序步驟的並行。
4.RISC CPU與多媒體CPU
RISC CPU是繼承CISC的成功技術，並在克服CISC機器缺點的基礎上發展起來 的。RISC機器的三個基本要素：（1）壹個有限的簡單指令集；（2）CPU配備大量的能用寄存器；（3）強調指令流水線的優化。註意，RISC機器壹定是流水CPU，但是流水CPU不壹定是RISC機器。
多媒體CPU是帶MMX技術的處理器。MMX是壹種多媒體擴展結構技術，特別適合於圖像數據處理，極大提高了計算機在多媒體和通信應用的功能。多媒體CPU以新壹代奔騰CPU為代表，開始采用單指令流多數據的新型結構。