CPU主要包括兩個部分，即控制器、運算器，其中還包括高速緩沖存儲器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內(nèi)部存儲器、輸入/輸出設備。CPU的功效主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時間、處理數(shù)據(jù)。

注：指令集的軟硬件層次之分：硬件指令集是硬件層次上由CPU自身提供的可執(zhí)行的指令集合。軟件指令集是指語言程序庫所提供的指令，只要安裝了該語言的程序庫，指令就可以執(zhí)行。

CPU有強大的算術運算單 元，可以在很少的時鐘周期內(nèi)完成算術計算。同時，有很大的緩存可以保存很多數(shù)據(jù)在里面。此外，還有復雜的邏輯控制單元，當程序有多個分支的時候， 通過提供分支預測的能力來降低延了時。GPU是基于大的吞吐量設計，有很多的算術運算單元和很少的緩存。同時GPU支持大量的線程同時運行，如果他們需要訪問同一個數(shù)據(jù)，緩存會合并這些訪問，自然會帶來延了時的問題。盡管有延了時，但是因為其算術運算單元的數(shù)量龐大，因此能夠達到一個非常大的吞吐量的效果。

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相關和把內(nèi)存保護相關的所有執(zhí)行在用戶態(tài)下都是被禁止的，此外其它一些特權指令也是被禁止的，比如用戶態(tài)下不能將PSW的模式設置控制位設置成內(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，每個指令對應一個基本操作，比如加法運算對應一個指令。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)。