cpu的工作原理淺析

1、CPU的工作原理淺析一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。計(jì)算機(jī)硬件是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置它們是由各種實(shí)在的器件所組成，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱CPU(CentralProcessingUnit)它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心主要包括運(yùn)算器和控制器兩個(gè)部件。如果把計(jì)算機(jī)比作一個(gè)人，那么CPU就是心臟，其重要作用由此可見

2、一斑。CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分，三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，便可以進(jìn)行分析，判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。計(jì)算機(jī)發(fā)生的所有動(dòng)作都是受CPU控制的。其中運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)運(yùn)算(如加、減、乘、除)和邏輯運(yùn)算(如邏輯加、邏輯乘和非運(yùn)算)而控制器不具有運(yùn)算功能它只是讀取各種指令并對(duì)指令進(jìn)行分析作出相應(yīng)的控制。通常在CPU中還有若干個(gè)寄存器它們可直接參與運(yùn)算并存放運(yùn)算的中間結(jié)果。我們常說(shuō)的CPU都是X86系列

3、及兼容CPU所謂X86指令集是美國(guó)Intel公司為其第一塊16位CPU（i8086）專門開發(fā)的，美國(guó)IBM公司1981年推出的世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU—i8088（i8086簡(jiǎn)化版）使用的也是X86指令，同時(shí)電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學(xué)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(shù)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(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，Intel公司所生產(chǎn)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(chǎn)出能使用X86指令集的CPU，由于這些CPU能運(yùn)行所有的為IntelCPU所開發(fā)的各種軟件，所以電腦業(yè)內(nèi)人士就將這些CPU列為Intel的CPU兼容產(chǎn)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(shù)參數(shù)CPU品質(zhì)的高低直接決定了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檔次，而CPU的主要技術(shù)特性可以反映出CPU的大致性能。1、位、字節(jié)和字長(zhǎng)CPU可以同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)是其最重要的一個(gè)品質(zhì)標(biāo)志。人們通常所說(shuō)的16位機(jī)、32位機(jī)就是指該微機(jī)中的CPU可以同時(shí)處理16位、32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。早期有代表性的IBMPCXT、IBMPCAT與286機(jī)是16位機(jī)386機(jī)和486機(jī)是32位機(jī)586機(jī)則是64位

6、的高檔微機(jī)。CPU按照其處理信息的字長(zhǎng)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(shù)中采用二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其中無(wú)論是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。字節(jié)和字長(zhǎng)：電腦技術(shù)中對(duì)CPU在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。所以能處理字長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。由于

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

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(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5~6個(gè)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(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。由于486CPU只有一條流水線，通過(guò)流水線中取指令、譯碼、產(chǎn)生地址、執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)寫回五個(gè)電路單元分別同時(shí)執(zhí)行那些已經(jīng)分成五步的指令，

9、因此實(shí)現(xiàn)了486CPU設(shè)計(jì)人員預(yù)期的在每個(gè)時(shí)鐘周期中完成一條指令的目的(按筆者看法，CPU實(shí)際上應(yīng)該是從第五個(gè)時(shí)鐘周期才達(dá)到每周期能完成一條指令的處理速度)。到了Pentium時(shí)代、設(shè)計(jì)人員在CPU中設(shè)置了兩條具有各自獨(dú)立電路單元的流水線，因此這樣CPU在工作時(shí)就可以通過(guò)這兩條流水線來(lái)同時(shí)執(zhí)行兩條指令，因此在理論上可以實(shí)現(xiàn)在每一個(gè)時(shí)鐘周期中完成兩條指令的目的。2、超流水線和超標(biāo)量技術(shù)超流水線是指某些CPU內(nèi)部的流水線超過(guò)通常的5~6步以

10、上，例如Pentiumpro的流水線就長(zhǎng)達(dá)14步。將流水線設(shè)計(jì)的步(級(jí))數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。超標(biāo)量(superscalar)是指在CPU中有一條以上的流水線，并且每時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令，這種設(shè)計(jì)就叫超標(biāo)量技術(shù)。3、亂序執(zhí)行技術(shù)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(yīng)電路單元處理的技術(shù)。比方說(shuō)程序某一段有7條指

11、令，此時(shí)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(yīng)電路執(zhí)行。當(dāng)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(yīng)電路再將運(yùn)算結(jié)果重新按原來(lái)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(yùn)行方式就叫亂序執(zhí)行(也有叫錯(cuò)序執(zhí)行)技術(shù)。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CPU的運(yùn)行程序的速度。4、分技預(yù)溯和推測(cè)執(zhí)行技術(shù)分枝預(yù)測(cè)(br

12、anchprediction)和推測(cè)執(zhí)行(speculatlonexecution)是CPU動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)中的主要內(nèi)容，動(dòng)態(tài)執(zhí)行是目前CPU主要采用的先進(jìn)技術(shù)之一。采用分枝預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)執(zhí)行的主要目的是為了提高CPU的運(yùn)算速度。推測(cè)執(zhí)行是依托于分枝預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的，在分枝預(yù)測(cè)程序是否分枝后所進(jìn)行的處理也就是推測(cè)執(zhí)行。5、指令特殊擴(kuò)展技術(shù)自最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)開始，指令序列便能取得運(yùn)算對(duì)象，并對(duì)它們執(zhí)行計(jì)算。對(duì)大多數(shù)計(jì)算機(jī)而言，這些指令同時(shí)只能執(zhí)行一次計(jì)

13、算。如需完成一些并行操作，就要連續(xù)執(zhí)行多次計(jì)算。此類計(jì)算機(jī)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(jīng)常提到“擴(kuò)展指令”或“特殊擴(kuò)展”一說(shuō)，這都是指該CPU是否具有對(duì)X86指令集進(jìn)行指令擴(kuò)展而言。擴(kuò)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(yǔ)“多媒體指令集”的縮寫。共有57條指令，是Intel公司