功能依赖于结构，结构决定了功能。
CPU的全称是Central Processing Unit，直译是中央处理单元，我们一般叫它中央处理器。作为主机中最贵的元器件（不考虑显卡氪金族），它承担了几乎全部的计算工作，毕竟“能力越大，责任越大”。
那么CPU的超能力到底体现在哪里呢？答：它巨快，“天下武功，唯快不破”。目前民用主机CPU的最高主频大约是5GHz，也就是说它能在1秒钟里振动5 000 000 000次。我们在路上见到的汽车轮胎，转速一般为5转每秒（不严谨地说，1Hz=1转每秒）；电风扇的转速一般为10转每秒；显示器刷新的频率一般是60Hz，而这频率足以让人眼看不出闪烁。这个数量级差别，不多说了，自行体会。
当然，如果CPU只是在空转，做无意义的振动，那也不值得我们对它肃然起敬，实际情况是它的振动是有信息输出的。这输出的信息就有两类：数据信息和控制信息。这两类信息对应了CPU的两大功能：计算和控制。
计算
要不是为了应付大量复杂计算，计算机恐怕不会出现在这世上。
显然，计算是CPU的重要使命。但是它无法进行高层次计算（比如“快，直接告诉我233后面第一个质数是多少”），只能进行简单计算。即便如此，它已然能够解决极其复杂的问题。事实上，对CPU来说，它的计算其实只是通过电路完成“一串二进制数输入”在特定运算规则下的“一串二进制数输出”而已，换言之，就是在电路上实现一系列信息转换，完成输入到输出的映射。
CPU并非铁板一块，内部精细的构造使得它能够完成复杂的计算任务。其中，完成运算的主要部分被称为运算器，包括算术逻辑部件（ALU）、状态字寄存器（PSW）等等。我画了一张图：
CPU的内部结构(图示)
为了更好地理解CPU的计算过程，我想先请你做道算术题——“198+231=?”。你可以列竖式，但是打草稿算完之后请再口算一遍。
如果没算错的话，答案应该是429。不过正确性不重要，关键是计算的过程。回想一下，一般来说，你计算的时候，是从低到高一位一位加的；在十位进行相加的时候，你会“额外标记一下”这里有个到百位的进位；然后在百位进行相加的时候，你会提醒自己把进位给加上。
这里，请注意，尽管整个计算仅仅实现了从“198、231”这两个输入到“429”的输出，但是在整个计算过程中有先后顺序之分，还有很多其他信息产生，这些临时信息也需要保存。既然如此，CPU内部有上面那些个计算部件也就不难理解了。
控制
2509885——“爱我你就抱抱我”。“好的！你这么说，我就这么做。”
CPU承担着主机几乎所有的控制工作，因为不严谨地说，它是那堆零件中唯一有脑子的。为什么那些零件需要控制，它们不会自己工作吗？当然不会，想象生活中的这两种情况：你刷牙的时候得用牙膏，牙膏会自动打开盖子喷出适量牙膏吗？不会，需要你亲手驱动，对它进行控制；你拥有一家图书馆，里面配备了管理员，有一天你想看《钢铁是怎样炼成的》，如果你不声不响，管理员会把书送到你手上吗？不会，你至少得告诉他你要啥，然后他才去取，这也是控制。
我们可以从以上例子中很明显地看到，主体若要有效使用客体，必须与客体之间产生信息交流，其中控制信息不可或缺。（这看上去是一句废话，但很多人在学习计算机的原理时会忽略）。
回到前面的例子，一个完整的计算过程实际上是：使用电脑的人把“198+231”这个加法程序编写好，通过一系列编译链接过程加载进内存。然后CPU从内存中读出这条指令{一串二进制数}，根据指令中的操作码生成具有先后顺序的控制信息，从而保证相关数据能进行有效地流动。控制信息的典型例子包括使能信号、读写信号等等。
也就是说，CPU的初始输入是有限长度的一条条指令，它看到指令就会明白自己该做什么。那么问题来了，谁告诉它的呢？它怎么知道看到“2509885”就要抱抱我呢？答案当然是：设计CPU的人在它里面放了本字典，每条指令的操作码都对应一系列特定的操作步骤。有些设计者是这么写的：“2509885——爱我你就抱抱我”“2509775——爱我你就亲亲我”。一条指令对应一套步骤，尽管两条指令有部分相似，但它们仍然是被看待成完全不同的两个系列操作，这就是硬布线方式。有些设计者是这么写的：“2509885——2509后面是885，那爱了之后就抱抱我”“2019885——2509后面是775，那爱了之后就亲亲我”。一条指令对应一段微程序，即一系列步骤，每个步骤叫一个微操作，会发出一轮控制信号（也叫微命令）。比如再看加法的例子，它把“向前进一”视为一个可以直接完成而不需要临时信息的微操作，这就是微指令方式。
番外
CPU再牛逼，还不是得为人类服务。
是的，CPU只是人类的工具，而人对CPU的操作并非直接通过双手不停地拨弄节拍发生器，而是通过“操作系统”。顾名思义，操作系统，就是替人操作计算机元器件的系统，其本质就是一段段程序。与普通程序不同的是，操作系统具有对CPU的完全控制权。那么问题来了，同为一段段程序，操作系统为什么能控制CPU而普通程序不用呢？我们先明确一下控制的含义，控制的意思是不仅有使用权，还有所有权，能把决定把CPU分配给谁。接下来回答“为什么操作系统能控制CPU而普通程序不能？”
首先要知道的一点是，自己能够标志自己是核心态还是用户态，在用户态只能执行非特权指令。
于是，操作系统能够控制CPU的原因有三：
1.操作系统是最先加载进内存的程序（这个时候CPU处于核心态），因此操作系统可以率先掌握CPU的控制权，同时它还告诉了CPU：“如果执行指令遇到异常时，就来执行我的程序哦！”；
2.当CPU运行其他程序时，如果发生内中断就会转去执行系统程序同时主动切换为核心态。具体说来，如果遇到系统调用，就会执行软中断，转去执行系统程序；如果遇到其他异常（比如除0、缺页），CPU就按照操作系统最初吩咐的，转去执行系统程序；
3.指令周期中安排了中断周期，在中断周期，CPU会默认去执行系统程序，同时切换为核心态。
当CPU执行系统程序的时候，系统程序能够运行内存区上的所有程序，包括那些与硬件驱动相关的程序。同时，系统程序也能执行那些特权指令，比如清内存、设置时钟、切换进程。特权指令的执行权就是操作系统控制CPU的标志。
另外还有一个深刻的哲学问题值得思考——CPU是执行程序的，但程序竟会反过来控制CPU。异化理论的又一生动写照。
结语
总的来说，CPU承担了计算机的主要计算和控制任务，它的行为以设计者设计的物理结构为基础，由指令和节拍决定。指令包括特权指令和非特权指令，特权指令涉及其他硬件和CPU的使用权。操作系统的出现是为了让人机交互更加友好和高效，它具有执行特权指令的能力，同时负责管理计算机的各种资源分配，普通程序必须通过它才能使用外设。
CPU真是跟简单数字打交道的不简单的玩意儿。
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