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          CPU(中央處理器)—計算機組成原理

            中央處理器(Central Processing Unit,CPU),是電子計算機的主要設備之一。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。所謂的計算機的可編程性主要是指對CPU的編程。CPU、內部存儲器和輸入/輸出設備是現代電腦的三大核心部件。20世紀70年代以前,本來是由數個獨立單元構成,後來發展出微處理器把CPU復雜的電路可以作成單一微小功能強大的單元?!爸醒胩幚砥鳌边@個名稱,是對一系列可以執行復雜的-(計算機程序、電腦程式)-的邏輯機器的描述。這個空泛的定義很容易的將在“CPU”這個名稱被普遍使用之前的早期的計算機也包括在內。無論如何,至少從20世紀60年代早期開始,這個名稱及其縮寫已開始在電子計算機產業中得到廣泛應用。盡管與早期相比,“中央處理器”在物理形態、設計制造和具體任務的執行上有了戲劇性的發展,但是其基本的操作原理一直沒有改變。

            早期的中央處理器通常是為大型及特定應用的計算機而訂制。但是,這種昂貴為特定應用定制CPU的方法很大程度上已經讓位于開發便宜、標準化、適用于一個或多個目的的處理器類。這個標準化趨勢始于由單個晶體管組成的大型機和微機年代,隨著集成電路的出現而加速。IC使得更為復雜的CPU可以在很小的空間中設計和制造(在微米的量級)。CPU的標準化和小型化都使得這一類數字設備在現代生活中的出現頻率遠遠超過有限應用專用的計算機?,F代微處理器出現在包括從汽車到手機到兒童玩具在內的各種物品中。

            CPU的組成結構

            CPU從邏輯上可以劃分成3個模塊,分別是控制單元、運算單元和存儲單元,這三部分由CPU內部總線連接起來。如下所示:

            控制單元

            控制單元是整個CPU的指揮控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等,對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據用戶預先編好的程序,依次從存儲器中取出各條指令,放在指令寄存器IR中,通過指令譯碼(分析)確定應該進行什么操作,然后通過操作控制器OC,按確定的時序,向相應的部件發出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

            運算單元

            可以執行算術運算(包括加減乘數等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言,運算器接受控制單元的命令而進行動作,即運算單元所進行的全部操作都是由控制單元發出的控制信號來指揮的,所以它是執行部件。

            存儲單元

            包括CPU片內緩存和寄存器組,是CPU中暫時存放數據的地方,里面保存著那些等待處理的數據,或已經處理過的數據,CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。采用寄存器,可以減少CPU訪問內存的次數,從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限,寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的,分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途,通用寄存器的數目因微處理器而異。

            我們將上圖細化一下,可以得出CPU的工作原理概括如下:

            CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據,按指令操作碼的規定,對數據進行運算處理,直到程序執行完畢為止。

            CPU的運行原理

            CPU的運行原理就是:

            控制單元在時序脈沖的作用下,將指令計數器里所指向的指令地址(這個地址是在內存里的)送到地址總線上去,然后CPU將這個地址里的指令讀到指令寄存器進行譯碼。對于執行指令過程中所需要用到的數據,會將數據地址也送到地址總線,然后CPU把數據讀到CPU的內部存儲單元(就是內部寄存器)暫存起來,最后命令運算單元對數據進行處理加工。周而復始,一直這樣執行下去,天荒地老,??葜€,直到停電。

            1、取指令:CPU的控制器從內存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個樣子滴:

            操作碼就是匯編語言里的mov,add,jmp等符號碼;操作數地址說明該指令需要的操作數所在的地方,是在內存里還是在CPU的內部寄存器里。

            2、指令譯碼:指令寄存器中的指令經過譯碼,決定該指令應進行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數在哪里(操作數的地址)。

            3、 執行指令,分兩個階段“取操作數”和“進行運算”。

            4、 修改指令計數器,決定下一條指令的地址。

            CPU主要性能指標

            主頻:

            即CPU內部核心工作的時鐘頻率,單位一般是兆赫茲(MHz)。這是我們最關心的一個參數,我們通常所說的233、 300、450等就是指它。對于同種類的CPU,主頻越高,CPU的速度就越快,整機的性能就越高。由于內部的結構不同,不同種的CPU之間不能直接通過主頻來比較,而且高主頻的CPU的實際表現性能,還與外頻、緩存等大小有關,帶有特殊指令的CPU,則相對程度地依賴軟件的優化程度。

            外頻和倍頻數:

            外頻即CPU的外部時鐘頻率。CPU的主頻與外頻的關系是:CPU主頻 = 外頻×倍頻數,外頻是由電腦主板提供的,486的外頻一般是33MHz,40MHz,Pentium主板的外頻一般是66MHz,也有主板支持75各83MHz。而目前Intel公司最新的芯片組440BX可以使用100MHz甚至更高的時鐘頻率。另外VIA公司的MVP3、MVP4,APPLO PRO 等一些非 Intel的芯片組也開始支持100MHz的外頻,一些主板由于技術精良,工藝先進,可以超頻1/3以上穩定使用,成為超頻愛好者的首選。Intel公司的下一代主板芯片將支持133MHz的外頻,AMD的K7甚至將使用200MHz的外頻。

            內部緩存(L1 Cache):

            采用速度極快的SRAM制作,與 CPU共同封裝于芯片內部的高速緩存,用于暫時存儲CPU運算時的最近的部分指令和數據,存取速度與CPU主頻相同 (一般稱為全速) , L1緩存的容量一般以KB為單位。L1緩存全速工作,其容量越大,使用頻率最高的數據和結果就越容易盡快進入CPU進行運算,CPU工作時與存取速度較慢的L2緩存和內存間交換數據的次數越少,相對電腦的運算速度可以提高。486就因為集成了內部Cache,速度比386快了許多。最早的486內部一般有1K~8K的L1 Cache,現在的Pentium II的L1 Cache一般有32K,而Cyrix和AMD的芯片內部有64K甚至更多。

            二級緩存(L2 Cache):

            集成于CPU外部的高速緩存,L2 Cache 的一般容量是128K~2M。容量越大,系統的綜合性能越高。一般的 L2 Cache 運行于系統外頻或 CPU 主頻的一半,后來 Pentium Pro處理器采用的L2和CPU運行在相同頻率下,由于芯片成品率太低,成本昂貴,所以后來Pentium II的L2 Cache運行在相當于CPU頻率一半下的,但容量增加為512K?,F在的至強處理器又采用了全速的L2 Cache,容量增大至512K到2M之間,以求性能獲得提高。沒有Cache的賽揚處理器,性能下降不少。

            地址總線寬度:

            地址總線寬度(地址總線的位數)決定了CPU可以訪問的存儲器的容量,不同型號的CPU總線寬度不同,因而使用的內存的最大容量也不一樣。

            數據總線寬度:

            數據總線寬度決定了CPU與內存輸入∕輸出設備之間一次數據傳輸的信息量。

            CPU的外核

            1、解碼器(Decode Unit)

            這是x86CPU才有的東西,它的作用是把長度不定的x86指令轉換為長度固定的類似于RISC的指令,并交給RISC內核。解碼分為硬件解碼和微解碼,對于簡單的x86指令只要硬件解碼即可,速度較快,而遇到復雜的x86指令則需要進行微解碼,并把它分成若干條簡單指令,速度較慢且很復雜。好在這些復雜指令很少會用到。

            Athlon也好,PIII也好,老式的CISC的x86指令集嚴重制約了他們的性能表現。

            2、一級緩存和二級緩存(Cache)

            一級緩存和二級緩存是為了緩解較快的CPU與較慢的存儲器之間的矛盾而產生的,一級緩存通常集成在CPU內核。

            高速緩沖存儲器Cache是位于CPU與內存之間的臨時存儲器,它的容量比內存小但交換速度快。在Cache中的數據是內存中的一小部分,但這一小部分是短 時間內CPU即將訪問的,當CPU調用大量數據時,就可避開內存直接從Cache中調用,從而加快讀取速度。由此可見,在CPU中加入Cache是一種高效的解決方案,這樣整個內存儲器(Cache+內存)就變成了既有Cache的高速度,又有內存的大容量的存儲系統了。Cache對CPU的性能影響很大,主要是因為CPU的數據交換順序和CPU與Cache間的帶寬引起的。

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