啸啸007
这个问题需要循序渐进，才能回答清楚，为便于理解，需要多上图片。
一颗高性能CPU，其内部的复杂程度堪比一座北上广深这样的一线城市。
如果说城市的基础建筑材料是砖头，和钢筋、水泥配合，建成高楼大厦，那么CPU也有基础构成元件，它就是晶体管。
当然，上图中的晶体管个子太大，CPU内的晶体管都是纳米级别，模样大不相同（运行原理完全一样），看起来像纱网格子（见下图）：
晶体管需要搭配电容、电阻等其它元件，才能完成“开”、“关”动作，对应计算机语言的“0”和“1”，这也是计算机只能读懂“0”和“1”的原因（现在的编程语言被称为高级语言，运行时都需要芯片中的编译器翻译成机器能读懂的0和1组成的语言），实际上所有的运算过程都是数以亿计的晶体管在不断重复“开”、“关”动作。所有的运算结果，不管是游戏的画面、电影特效还是计算器算买菜钱，都是晶体管不同开关动作组合的结果。
晶体管如何和电容搭配？我举DRAM（俗称电脑内存）为例，一个DRAM单元可以存储1比特数据，它由1个晶体管和两个电容组成。见下图。
CPU的内部结构要复杂一些，和DRAM的差别在于，DRAM的基本单元（DRAM CELL）结构都是一样的，这也是DRAM拼制造的原因；而CPU内的基本单元的结构并不一样，这样才能组成算术逻辑单元、寄存器、译码器、缓存等部件，最终组成一个CPU内核，由于内部线路复杂，所以CPU既拼制造，也拼设计，比DRAM难度上了一个大台阶。
现代CPU基本都是多核打天下，如下图的至强处理器有10个内核。
总之，不管CPU多么复杂，它其实都是晶体管和电容、电阻等纳米级的元件，经过复杂的设计组合，得到不同的部件（算术逻辑单元、寄存器等），再由部件组成CPU内核，多个CPU内核再组成CPU，封装后就成了我们看到的样子。见下图：
魔铁的世界
20亿晶体管是如何集成在一个小小的芯片上，而又是如何工作的？让我们一起来研究
首先CPU在13年的时候就已经可以集成20亿个晶体管，当然作为中央处理器CPU芯片中还包涵其他各种各样的器件例如三极管，二极管，晶闸管，MOSFFET,IGBT等，这些都是CPU内部集成的芯片，CPU的安装无疑是一层层进行焊接的，利用非常高的机器将纳米级别的晶体管进行架构式的安装，CPU内核心的也是一块半导体晶圆，通过半导体蚀刻工艺在晶圆上生成众多的晶体管单位，再通过微点焊金丝的方式将各个引脚电路引出至芯片封装的管脚，最后进行封装，每一步都是非常精密的，这些过程都是机械来做。
至于怎样工作，我们都知道计算机都是通过传输0和1信号，这些信号是如何产生的呢？是利用晶体管的关断，关时为1信号，断为0信号，这样CPU就具备了处理信息和传输信息的能力，然人为对信号进行编码排布就行成各种各样的信号形式。大体就是这样，若具体的讲起来可能讲一两天也不会讲完。人类的时代在进步，相信未来CPU会带来更好的创新。
魅力星空
内部控制原理真的很复杂很繁琐\r
第一个微处理器是英特尔4004，于1971年推出.4004功能不是很强大，它所能做的只是加减法，它一次只能做4位。\r
制造成家用计算机的第一个微处理器是英特尔8080，它是一个完整的8位计算机，在一个芯片上，于1974年推出。
首先了解基本名称
数据宽度为ALU的宽度。8位ALU可以加、减、乘、等。两个8位数字，而32位ALU可以操作32位数字。8位ALU必须执行4条指令才能添加两个32位数字，而32位ALU可以在一条指令中执行。在许多情况下，外部数据总线的宽度与ALU的宽度相同，但并非总是如此。8088有一个16位ALU和一个8位总线，而Pentiums为32位ALU一次取64位数据。
MIPS代表“每秒数百万条指令”，并且是CPU性能的粗略衡量标准。
晶体管数量和MIPS之间存在密切关系。例如，8088时钟频率为5 MHz，但仅以0.33 MIPS（每15个时钟周期约一条指令）执行。现代处理器通常可以每个时钟周期以两个指令的速率执行。这种改进与芯片上的晶体管数量直接相关
微处理器的三个基本运作关系如下
以下是个简单微处理器的组件：
寄存器A，B和C只是由触发器制成的锁存器。
地址锁存器就像寄存器A，B和C.
程序计数器是一个锁存器，具有额外的能力，当被告知这样做时增加1，并且当被告知这样做时也重置为零。
ALU逻辑单元可以像8位加法器一样简单，它可以对8位值进行加，减，乘和除。
地址和数据总线，以及RD和WR线。这些总线和线路连接到RAM或ROM。在我们的样本微处理器中，有一个8位宽的地址总线和8位宽的数据总线。这意味着微处理器可以寻址（2 8）256字节的存储器，并且它可以一次读取或写入8位存储器。让我们假设这个简单的微处理器有128个字节的ROM，从地址0开始，128个字节的RAM从地址128开始。
ROM代表只读存储器。ROM芯片被编程为具有永久的预设字节集合。地址发给总线告诉ROM芯片哪个字节到达并放在数据总线上。当RD线改变状态时，ROM芯片将所选字节呈现在数据总线上。\r
几乎所有计算机都包含一些ROM（可以创建一个不包含RAM的简单计算机 - 许多微控制器通过在处理器芯片本身放置一些RAM字节来实现这一点 - 但通常无法创建一个不包含ROM）。在PC上，ROM称为BIOS（基本输入/输出系统）。当微处理器启动时，它开始执行它在BIOS中找到的指令。BIOS指令执行诸如测试机器中的硬件之类的操作，然后将其转到硬盘以获取引导扇区（请参阅硬盘的工作原理）详情）。这个引导扇区是另一个小程序，BIOS从磁盘读取后将其存储在RAM中。然后微处理器开始从RAM执行引导扇区的指令。引导扇区程序将告诉微处理器从硬盘中取出其他东西到RAM中，然后微处理器执行。
能力有限大致说到这里，还有很多细节，建议有兴趣还是查阅专业书籍。
物理美学
CPU是由无数个晶体管组成的 晶体管不同的排列当时导致他的架构不一样。
CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！每一位1或0的实现，都要用到至少6个晶体管。一块最普通的CPU 包含控制器、运算器和存储器单元，而最新一代的多线程多核心CPU则有更为复杂的控制器及分支管理模块。
规模最大、耗用晶体管资源最多的还是存储器（SDRAM）：供CPU运算单元计算的数据经过缓存暂时存放，以调节高速的CPU计算单元和低速读写的外置存储器之间的速度差，使CPU整体运行在较高的效率。缓存级数越多，存储量越大，则CPU的处理速度越快。Intel最新一代的商用CPU已具备三级缓存：第一级缓存容量最小一般256K但速度与运算器同频是最快的，第二级容量较大一般2M较高级的CPU能达到6M-9M，速度是运算器频率的一半。第三级在中高端的CPU上使用。
就是一个耿
CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。
- 一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！
