在計算機體系結(jié)構(gòu)中，CPU 是對計算機的所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元） 進行控制調(diào)配、執(zhí)行通用運算的核心硬件單元。CPU 是計算機的運算和控制核心。計算機系統(tǒng)中所有軟件層的操作，終都將通過指令集映射為CPU的操作。

由于CPU訪問內(nèi)存以得到指令或數(shù)據(jù)的時間要比執(zhí)行指令花費的時間長很多，因此在CPU內(nèi)部提供了一些用來保存關(guān)鍵變量、臨時數(shù)據(jù)等信息的通用寄存器。所以，CPU需要提供 一些特定的指令，使得可以從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)存入寄存器以及可以將寄存器數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。

CPU控制技術(shù)的主要形式，插入控制。CPU 對于操作控制信號的產(chǎn)生，主要是通過指令的功能來實現(xiàn)的，通過將指令發(fā)給相應(yīng)部件，達到控制這些部件的目的。實現(xiàn)一條指令功能，主要是通過計算機中的部件執(zhí)行一序列的操作來完成。較多的小控制元件是構(gòu)建集中處理模式的關(guān)鍵，目的是為了更好的完成CPU數(shù)據(jù)處理操作。

除了嵌入式系統(tǒng)，多數(shù)CPU都有兩種工作模式：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。這兩種工作模式是由PSW寄存器上的一個二進制位來控制的。內(nèi)核態(tài)的CPU，可以執(zhí)行指令集中的所有指令，并使用硬件的所有功能。

用戶態(tài)的CPU，只允許執(zhí)行指令集中的部分指令。一般而言，IO相關(guān)和把內(nèi)存保護相關(guān)的所有執(zhí)行在用戶態(tài)下都是被禁止的，此外其它一些特權(quán)指令也是被禁止的，比如用戶態(tài)下不能將PSW的模式設(shè)置控制位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)。

控制器之所以知道數(shù)據(jù)放哪里、做什么運算(比如是做加法還是邏輯運算?)都是由指令告訴控制器的，每個指令對應(yīng)一個基本操作，比如加法運算對應(yīng)一個指令。例如，將兩個MDR寄存器(保存了來自內(nèi)存的兩個數(shù)據(jù))中的值拷貝到ALU中，然后根據(jù)的操作指令執(zhí)行加法運算，將運算結(jié)果拷貝會一個MDR寄存器中，后寫入到內(nèi)存。

關(guān)于CPU上的高速緩存

1、高速的緩存是CPU的寄存器，它們和CPU的材料相同，靠近CPU或接近CPU，訪問它們沒有時延(<1ns)。但容量很小，小于1kb。

2、寄存器之下，是CPU的高速緩存。分為L1緩存、L2緩存、L3緩存，每層速度按數(shù)量級遞減、容量也越來越大。

3、每核心都有一個自己的L1緩存。L1緩存分兩種：L1指令緩存(L1-icache)和L1數(shù)據(jù)緩存(L1-dcache)。L1指令緩存用來存放已解了碼指令，L1數(shù)據(jù)緩存用來放訪問非常頻繁的數(shù)據(jù)。

4、L2緩存用來存放近期使用過的內(nèi)存數(shù)據(jù)。更嚴格地說，存放的是很可能將來會被CPU使用的數(shù)據(jù)。

5、多數(shù)多核CPU的各核都各自擁有一個L2緩存，但也有多核共享L2緩存的設(shè)計。無論如何，L1是各核私有的(但對某核內(nèi)的多線程是共享的)。