cpu的工作原理淺析

1、CPU的工作原理淺析一個完整的微型計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。計算機硬件是指組成一臺計算機的各種物理裝置它們是由各種實在的器件所組成，是計算機進行工作的物質基礎。計算機硬件系統(tǒng)中最重要的組成部分是中央處理器(CPU)。（一）CPU的基本概念和組成中央處理器簡稱CPU(CentralProcessingUnit)它是計算機系統(tǒng)的核心主要包括運算器和控制器兩個部件。如果把計算機比作一個人，那么CPU就是心臟，其重要作用由此可見

2、一斑。CPU的內部結構可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，三個部分相互協(xié)調，便可以進行分析，判斷、運算并控制計算機各部分協(xié)調工作。計算機發(fā)生的所有動作都是受CPU控制的。其中運算器主要完成各種算術運算(如加、減、乘、除)和邏輯運算(如邏輯加、邏輯乘和非運算)而控制器不具有運算功能它只是讀取各種指令并對指令進行分析作出相應的控制。通常在CPU中還有若干個寄存器它們可直接參與運算并存放運算的中間結果。我們常說的CPU都是X86系列

3、及兼容CPU所謂X86指令集是美國Intel公司為其第一塊16位CPU（i8086）專門開發(fā)的，美國IBM公司1981年推出的世界第一臺PC機中的CPU—i8088（i8086簡化版）使用的也是X86指令，同時電腦中為提高浮點數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學協(xié)處理器則另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到今天

4、的PentiumⅢ系列，但為了保證電腦能繼續(xù)運行以往開發(fā)的各類應用程序以保護和繼承豐富的軟件資源，Intel公司所生產的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集。另外除Intel公司之外，AMD和Cyrix等廠家也相繼生產出能使用X86指令集的CPU，由于這些CPU能運行所有的為IntelCPU所開發(fā)的各種軟件，所以電腦業(yè)內人士就將這些CPU列為Intel的CPU兼容產品。由于IntelX86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，就形成了今天

5、龐大的X86系列及兼容CPU陣容。（二）CPU主要技術參數(shù)CPU品質的高低直接決定了一個計算機系統(tǒng)的檔次，而CPU的主要技術特性可以反映出CPU的大致性能。1、位、字節(jié)和字長CPU可以同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)是其最重要的一個品質標志。人們通常所說的16位機、32位機就是指該微機中的CPU可以同時處理16位、32位的二進制數(shù)據(jù)。早期有代表性的IBMPCXT、IBMPCAT與286機是16位機386機和486機是32位機586機則是64位

6、的高檔微機。CPU按照其處理信息的字長可以分為：八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等。位：在數(shù)字電路和電腦技術中采用二進制，代碼只有“0”和“1”，其中無論是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。字節(jié)和字長：電腦技術中對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內處理字長為32位的二進制數(shù)據(jù)。由于

7、常用的英文字符用8位二進制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個字節(jié)。字節(jié)的長度是不固定的，對于不同的CPU、字長的長度也不一樣。8位的CPU一次只能處理一個宇節(jié)，而32位的CPU一次就Cache運行頻率一般為主頻的二分之一，因此其效率要比芯片內的L2Cache要低，這就是賽揚只有128KB片內Cache但性能卻幾乎超過同主頻PⅡ（有512KB但工作時鐘為主頻一半的片外L2Cache）的重要原因。（三）CPU主要技術術語淺析1、流水線技術

8、流水線(pipeline)是InteI首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產上的裝配流水線。在CPU中由5~6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5~6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。由于486CPU只有一條流水線，通過流水線中取指令、譯碼、產生地址、執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)寫回五個電路單元分別同時執(zhí)行那些已經分成五步的指令，

9、因此實現(xiàn)了486CPU設計人員預期的在每個時鐘周期中完成一條指令的目的(按筆者看法，CPU實際上應該是從第五個時鐘周期才達到每周期能完成一條指令的處理速度)。到了Pentium時代、設計人員在CPU中設置了兩條具有各自獨立電路單元的流水線，因此這樣CPU在工作時就可以通過這兩條流水線來同時執(zhí)行兩條指令，因此在理論上可以實現(xiàn)在每一個時鐘周期中完成兩條指令的目的。2、超流水線和超標量技術超流水線是指某些CPU內部的流水線超過通常的5~6步以

10、上，例如Pentiumpro的流水線就長達14步。將流水線設計的步(級)數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應工作主頻更高的CPU。超標量(superscalar)是指在CPU中有一條以上的流水線，并且每時鐘周期內可以完成一條以上的指令，這種設計就叫超標量技術。3、亂序執(zhí)行技術亂序執(zhí)行(outofderexecution)是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應電路單元處理的技術。比方說程序某一段有7條指

11、令，此時CPU將根據(jù)各單元電路的空鬧狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體情況分析后，將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應電路執(zhí)行。當然在各單元不按規(guī)定順序執(zhí)行完指令后還必須由相應電路再將運算結果重新按原來程序指定的指令順序排列后才能返回程序。這種將各條指令不按順序拆散后執(zhí)行的運行方式就叫亂序執(zhí)行(也有叫錯序執(zhí)行)技術。采用亂序執(zhí)行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉并相應提高了CPU的運行程序的速度。4、分技預溯和推測執(zhí)行技術分枝預測(br

12、anchprediction)和推測執(zhí)行(speculatlonexecution)是CPU動態(tài)執(zhí)行技術中的主要內容，動態(tài)執(zhí)行是目前CPU主要采用的先進技術之一。采用分枝預測和動態(tài)執(zhí)行的主要目的是為了提高CPU的運算速度。推測執(zhí)行是依托于分枝預測基礎上的，在分枝預測程序是否分枝后所進行的處理也就是推測執(zhí)行。5、指令特殊擴展技術自最簡單的計算機開始，指令序列便能取得運算對象，并對它們執(zhí)行計算。對大多數(shù)計算機而言，這些指令同時只能執(zhí)行一次計

13、算。如需完成一些并行操作，就要連續(xù)執(zhí)行多次計算。此類計算機采用的是“單指令單數(shù)據(jù)”（SISD）處理器。在介紹CPU性能中還經常提到“擴展指令”或“特殊擴展”一說，這都是指該CPU是否具有對X86指令集進行指令擴展而言。擴展指令中最早出現(xiàn)的是InteI公司自己的“MMX”，其次是AMD公司的“3DNow!”，最后是最近的PentiumIII中的“SSE”。MMX和SSE：MMX是英語“多媒體指令集”的縮寫。共有57條指令，是Intel公司