CPU工作原理经典说明.doc

1、CPU 的原始工作模式在了解 CPU 工作原理之前,我们先简单谈谈 CPU 是如何生产出来的。CPU 是在特别纯净的硅材料上制造的。一个 CPU 芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此,从这个意义上说,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!这样, 计算机就具备了处理信息的能力。但你不要以为,只

2、有简单的“0” 和“1” 两种状态的晶体管的原理很简单 ,其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来,科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。看到这里,你一定想知道,晶体管是如何利用“0” 和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢? 其实, 所有电子设备都有自己的电路和开关,电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果你将开关设置为 OFF,电子将停止流动,如果你再将其设置为 ON,电子又会继续流动。晶体管的这种 ON 与 OFF 的切换只由电子信号控

3、制,我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样,晶体管的 ON 状态用“1”来表示,而OFF 状态则用“0”来表示,就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况,将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子,十进位中的 1 在二进位模式时也是“1”,2 在二进位模式时是“10”,3 是“11”,4 是“100”,5 是“101”,6 是“110”等等,依此类推,这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值,也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制,晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。CPU 的内

4、部结构现在我们已经大概知道 CPU 是负责些什么事情,但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢?1.算术逻辑单元 ALU(Arithmetic Logic UnitALU 是运算器的核心。它是以全加器为基础,辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路,在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的,这里就相当于工厂中的生产线,负责运算数据。2.寄存器组 RS(Register Set 或 RegistersRS 实质上是 CPU 中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器

5、,可以减少 CPU 访问内存的次数,从而提高了 CPU 的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。3.控制单元(Control Unit正如工厂的物流分配部门,控制单元是整个 CPU 的指挥控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register、指令译码器 ID(Instruction Decoder 和操作控制器0C(Operation Controller 三个部件组成,对协调整个电脑有序工

6、作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器 IR 中,通过指令译码( 分析确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器 OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器 OC 中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。4.总线(Bus就像工厂中各部位之间的联系渠道,总线实际上是一组导线,是各种公共信号线的集合,用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路” 。直接和 CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线 DB(Data Bus、地址总线AB(Address Bus 、控制总线 CB(

7、Control Bus。其中,数据总线用来传输数据信息; 地址总线用于传送 CPU 发出的地址信息;控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。CPU 的工作流程由晶体管组成的 CPU 是作为处理数据和执行程序的核心,其英文全称是:Central Processing Unit,即中央处理器。首先,CPU 的内部结构可以分为控制单元,逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器三大部分。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

8、拿到市场上去卖(交由应用程序使用。在这个过程中,我们注意到从控制单元开始,CPU 就开始了正式的工作,中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理,交到存储单元代表工作的结束。数据与指令在 CPU 中的运行刚才已经为大家介绍了 CPU 的部件及基本原理情况,现在,我们来看看数据是怎样在 CPU 中运行的。我们知道,数据从输入设备流经内存,等待 CPU 的处理,这些将要处理的信息是按字节存储的,也就是以 8 位二进制数或 8 比特为 1 个单元存储,这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉 CPU 对数据执行哪些操作,比如完成加法、减法或移位运算。我们假设在

9、内存中的数据是最简单的原始数据。首先,指令指针(Instruction Pointer 会通知 CPU,将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址,可以根据这些地址把数据取出,通过地址总线送到控制单元中,指令译码器从指令寄存器 IR 中拿来指令,翻译成 CPU 可以执行的形式,然后决定完成该指令需要哪些必要的操作,它将告诉算术逻辑单元(ALU 什么时候计算,告诉指令读取器什么时候获取数值,告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。假如数据被送往算术逻辑单元,数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后,将回到寄存器中,通过不同的指令将数据继续

10、运行或者通过 DB 总线送到数据缓存器中。基本上,CPU 就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据 3 项基本工作。但在通常情况下,一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作,CPU 的工作就是执行这些指令,完成一条指令后,CPU 的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复,快速地执行一条又一条指令,产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到,在处理这么多指令和数据的同时,由于数据转移时差和 CPU 处理时差,肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生,CPU 需要一个时钟 ,时钟控制着 CPU 所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器,它不停

11、地发出脉冲,决定 CPU 的步调和处理时间,这就是我们所熟悉的CPU 的标称速度,也称为主频。主频数值越高,表明 CPU的工作速度越快。如何提高 CPU 工作效率既然 CPU 的主要工作是执行指令和处理数据,那么工作效率将成为 CPU 的最主要内容,因此,各 CPU 厂商也尽力使 CPU 处理数据的速度更快。根据 CPU 的内部运算结构,一些制造厂商在 CPU 内增加了另一个算术逻辑单元(ALU,或者是另外再设置一个处理非常大和非常小的数据浮点运算单元(Floating Point Unit,FPU,这样就大大加快了数据运算的速度。而在执行效率方面,一些厂商通过流水线方式或以几乎并行工作的方式

12、执行指令的方法来提高指令的执行速度。刚才我们提到,指令的执行需要许多独立的操作,诸如取指令和译码等。最初 CPU 在执行下一条指令之前必须全部执行完上一条指令,而现在则由分布式的电路各自执行操作。也就是说,当这部分的电路完成了一件工作后,第二件工作立即占据了该电路,这样就大大增加了执行方面的效率。另外,为了让指令与指令之间的连接更加准确,现在的 CPU 通常会采用多种预测方式来控制指令更高效率地执行。CPU 的工作原理浅析一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,它们是由各种实在的器件所组成,是计算机进行工作的物质基础。计算机硬件系统中

13、最重要的组成部分是中央处理器(CPU 。(一 CPU 的基本概念和组成中央处理器简称 CPU(Central Processing Unit,它是计算机系统的核心,主要包括运算器和控制器两个部件。如果把计算机比作一个人,那么 CPU 就是心脏,其重要作用由此可见一斑。CPU 的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,三个部分相互协调,便可以进行分析,判断、运算并控制计算机各部分协调工作。计算机发生的所有动作都是受 CPU 控制的。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除和逻辑运算( 如逻辑加、逻辑乘和非运算;而控制器不具有运算功能,它只是读取各种指令,并对指令进行分析,作

14、出相应的控制。通常,在 CPU 中还有若干个寄存器,它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。我们常说的 CPU 都是 X86 系列及兼容 CPU ,所谓 X86 指令集是美国 Intel 公司为其第一块 16 位 CPU(i8086 专门开发的,美国 IBM 公司 1981 年推出的世界第一台PC 机中的 CPUi8088(i8086 简化版使用的也是 X86 指令,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的 X87 芯片系列数学协处理器则另外使用 X87 指令,以后就将X86 指令集和 X87 指令集统称为 X86 指令集。虽然随着 CPU 技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的 i80

15、386、i80486 直到今天的 Pentium 系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,Intel 公司所生产的所有 CPU 仍然继续使用 X86 指令集。另外除 Intel 公司之外 ,AMD 和 Cyrix 等厂家也相继生产出能使用 X86指令集的 CPU,由于这些 CPU 能运行所有的为 Intel CPU 所开发的各种软件,所以电脑业内人士就将这些 CPU 列为 Intel 的 CPU 兼容产品。由于 Intel X86 系列及其兼容 CPU 都使用 X86 指令集,就形成了今天庞大的 X86 系列及兼容 CPU 阵容。(二 CPU 主要技术参

16、数CPU 品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次,而 CPU 的主要技术特性可以反映出 CPU 的大致性能。1、位、字节和字长CPU 可以同时处理的二进制数据的位数是其最重要的一个品质标志。人们通常所说的 16 位机、32 位机就是指该微机中的 CPU 可以同时处理 16 位、32 位的二进制数据。早期有代表性的 IBM PC/XT、IBM PC/AT 与286 机是 16 位机,386 机和 486 机是 32 位机,586 机则是 64 位的高档微机。CPU 按照其处理信息的字长可以分为:八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等。位:在数字电路和电脑技术中采用

17、二进制,代码只有 “0”和“1”,其中无论是“0”或是“1”在 CPU 中都是一“ 位”。字节和字长:电脑技术中对 CPU 在单位时间内(同一时间能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为 8 位数据的 CPU 通常就叫 8 位的 CPU。同理32 位的 CPU 就能在单位时间内处理字长为 32 位的二进制数据。由于常用的英文字符用 8 位二进制就可以表示,所以通常就将 8 位称为一个字节。字节的长度是不固定的,对于不同的 CPU、字长的长度也不一样。8 位的 CPU 一次只能处理一个宇节,而 32 位的 CPU 一次就能处理 4 个宇节,同理字长为 64 位的C PU 一次可以处理

18、8 个字节。2、CPU 外频CPU 外频也就是常见特性表中所列的 CPU 总线频率,是由主板为 CPU 提供的基准时钟频率,而 CPU 的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。在 Pentium 时代,CPU 的外频一般是 60/66MHz,从 Pentium II350 开始,CPU 外频提高到 1O0MHz。由于正常情况下 CPU 总线频率和内存总线频率相同,所以当 CPU 外频提高后,与内存之间的交换速度也相应得到了提高,对提高电脑整体运行速度影响较大。3、前端总线(FSB 频率前端总线也就是以前所说的 CPU 总线,由于在目前的各种主板上前端总线频率与内存总线频率相同,所以也是 CPU 与

19、内存以及 L2Cache(仅指 Socket7 主板之间交换数据的工作时钟。由于数据传输最大带宽取决所同时传输的数据位宽度和传输频率,即数据带宽=(总线频率( 数据宽度/8。例如 Intel 公司的 P333 使用 6 6MHz 的前端总线,所以它与内存之间的数据交换带宽为528MB/s =(6664/8,而其 P350 则使用 100MHz 的前端总线,所以其数据交换峰值带宽为 800MB/s= (10064/8。由此可见前端总线速率将影响电脑运行时 CPU 与内存、(L2Cache 之间的数据交换速度,实际也就影响了电脑的整体运行速度。因此目前 Intel 正开始将其 P的前端总线频率从

20、100MHz 向 133MHz 过渡。 AMD 公司新推出的 K7 虽然使用 20 0MHz 的前端总线频率,但有资料表明 K7CPU 内核与内存之间数据交换时钟仍然是 100MHz,主频也是以 100 MHz 为基频倍频的。4、CPU 主频CPU 主频也叫工作频率,是 CPU 内核(整数和浮点运算器电路的实际运行频率。在 486 DX2CPU 之前。CPU 的主频与外频相等。从 486DX2 开始,基本上所有的 CPU 主频都等于“外频乘上倍频系数” 了。CPU 的主要技术特征。主频是 CPU 内核运行时的时钟频率,主频的高低直接影响 CPU 的运算速度。我们知道仅 Pentium 就可以在

21、一个时钟周期内执行两条运算指令,假如主频为100MHz 的 Pentium 可以在 1 秒钟内执行 2 亿条指令,那么主频为 200MHz 的 Pentium 每秒钟就能执行 4 亿条指令,因此 CPU 主频越高,电脑运行速度就越快。需要说明的是 Cyrix 的 CPU 对主频这项指标是采用 PR 性能等级参数(Performance Rating 来标称的,表示此时 CPU 性能相当于 Intel 某主频 CPU 的性能。用 PR 参数标称的 CPU 实际运行时钟频率与标称主频并不一致。例如 M-300 的实际运行频率为 233MHz(663.5,但 PR 参数主频标为 300MHz,意思就

22、是 M-300 相当于 Intel 的 P-300 。不过事实上也仅是 M-300 的Business Winston 指标 (整数性能能与 P-300 相当而已。5、L1 和 L2 Cache 的容量和速率L1 和 L2 Cache 的容量和工作速率对提高电脑速度起关键作用,尤其是 L2 Cache 对提高运行 2 D 图形处理较多的商业软件速度有显著作用。设置 L2 Cache 是 486 时代开始的,目的是弥补 L1 Cache(一级高速缓存容量的不足,以最大程度地减小主内存对 CPU 运行造成的延缓。CPU 的 L2 Cache 分芯片内部和外部两种。设在 CPU 芯片内的 L2 Ca

23、che 运行速度与主频相同,而采用 P方式安装在 CPU 芯片外部的 L2Cache 运行频率一般为主频的二分之一,因此其效率要比芯片内的 L2 Cache 要低,这就是赛扬只有 128KB 片内 Cache 但性能却几乎超过同主频 P(有 512KB 但工作时钟为主频一半的片外 L2Cache 的重要原因。(三 CPU 主要技术术语浅析1、流水线技术流水线(pipeline 是InteI 首次在 486 芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在 CPU 中由 56 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条 X86 指令分成 56 步后再由这些电路单元分别

24、执行 ,这样就能实现在一个CPU 时钟周期完成一条指令 ,因此提高 CPU 的运算速度。由于 486CPU 只有一条流水线,通过流水线中取指令、译码、产生地址、执行指令和数据写回五个电路单元分别同时执行那些已经分成五步的指令,因此实现了486CPU 设计人员预期的在每个时钟周期中完成一条指令的目的(按笔者看法, CPU 实际上应该是从第五个时钟周期才达到每周期能完成一条指令的处理速度。到了 Pentium 时代、设计人员在 CPU 中设置了两条具有各自独立电路单元的流水线,因此这样 CPU 在工作时就可以通过这两条流水线来同时执行两条指令,因此在理论上可以实现在每一个时钟周期中完成两条指令的目

25、的。2、超流水线和超标量技术超流水线是指某些 CPU 内部的流水线超过通常的 56 步以上,例如 Pentium pro的流水线就长达 14步。将流水线设计的步(级数越多,其完成一条指令的速度越快,因此才能适应工作主频更高的 CPU。超标量 (supe rscalar 是指在CPU 中有一条以上的流水线,并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令,这种设计就叫超标量技术。3、乱序执行技术乱序执行(out-of-orderexecution 是指 CPU 采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。比方说程序某一段有 7 条指令,此时 CPU 将根据各单元电路的空闹状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后,将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行( 也有叫错序执行技术。采用乱序执行技术的目的是为了使 CPU内部电路满负荷运转并相应提高了 CPU 的运行程序的速度。4、分技预溯和推测执行技术