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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它們之間聯系的數據、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內部存儲器、輸入/輸出設備。CPU的功效主要為處理指令、執行操作、控制時間、處理數據。

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，指令就可以執行。

CPU控制技術的主要形式，時間控制。將時間定時應用于各種操作中，就是所謂的時間控制。在執行某一指令時，應當在規定的時間內完成，CPU的指令是從高速緩沖存儲器或存儲器中取出，之后再進行指令譯碼操作，主要是在指令寄存器中實施，在這個過程中，需要注意嚴格控制程序時間。

更優化的CPU架構是superscalar架構（超標量架構）。這種架構將取指、解了碼、執行單元分開，有大量的執行單元，然后每個取指 解了碼的部分都以并行的方式運行。比如有2個取指 解了碼的并行工作線路，每個工作線路都將解了碼后的指令放入一個緩存緩沖區等待執行單元去取出執行。

用戶態的CPU，只允許執行指令集中的部分指令。一般而言，IO相關和把內存保護相關的所有執行在用戶態下都是被禁止的，此外其它一些特權指令也是被禁止的，比如用戶態下不能將PSW的模式設置控制位設置成內核態。

控制器之所以知道數據放哪里、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(保存了來自內存的兩個數據)中的值拷貝到ALU中，然后根據的操作指令執行加法運算，將運算結果拷貝會一個MDR寄存器中，后寫入到內存。

用戶態CPU想要執行特權操作，需要發起系統調用來請求內核幫忙完成對應的操作。其實是在發起系統調用后，CPU會執行trap指令陷入(trap)到內核。當特權操作完成后，需要執行一個指令讓CPU返回到用戶態。除了系統調用會陷入內核，更多的是硬件會引起trap行為陷入內核，使得CPU控制權可以回到操作系統，以便操作系統去決定如何處理硬件異常。