您的位置 首页 设计

处理器体系结构――了解CPU的基本原理

ISA一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为它的指令集体系结构ISA。虽然每个厂商制造的处理器性能和复杂性不断提高,但是不同型号在ISA级别上都

Central Processing Unit(CPU):中心处理器,PC的大脑,是核算机中处理数据的当地,一起也是功用和价格的决议要素。

在曩昔的一年中,CPU的速度已从600 MHz飙升至1 GHz。到本年年底,CPU的速度有望打破1.5 GHz大关。CPU的速度比赛仍在继续,可是有一点要注意:你的CPU的功用绝不仅仅是由MHz或许GHz前面的数字来决议的DD那只是商家用来揄扬的卖点。跟着芯片运算速度的加快以及在运用中对功用需求的添加,你比以往任何时分更需求了解在你的CPU中究竟产生着什么工作。

以下是你所应该知道的:

?CPU的三项根本功用:读数据、处理数据以及把数据写到存储器中。

?CPU的原始频率是由兆赫兹的数量决议的,可是其它的要素,例如规划办法,也相同的影响着芯片的功用。

?你为你的PC挑选什么样的CPU取决于你将乐意花多少钱,以及你计划用PC来干什么。

一、物理结构

在你了解你的CPU怎么作业从前,你应该知道它是由什么制成的。CPU是由数百万在显微镜下才干看得见的晶体管,经过化学的和照相平板印刷的进程,蚀刻到一块磨光了的只要你拇指甲盖巨细的硅片上而构成的。

那些细小的晶体管用来存储标明0、1的电荷,而0、1则构成了核算机所能运用的二进制言语。成组的晶体管连在一起存储数据;它们还对数据进行逻辑的和数学的核算,而且借助于一个石英的晶体钟,像同步的游水者相同和谐共同地发挥作用。简言之,它们能够处理数据。

二、CPU的组成

CPU处理存储在内存单元上的信息。那些信息可所以数据,也可所以指令。数据是一个二进制表达式,例如标明字母、数字和色彩。而指令则告知CPU怎么处理这些数据,例如对它们进行加、减或许移动等操作。

CPU对数据进行三种根本操作:读取数据、对数据进行处理、然后一般还要把把数据写回到存储器上。关于最简略的构成,CPU只需求四个部分来完结它对数据的操作:指令、指令指示器、一些寄存器以及算术逻辑单元。

指令指示器告知CPU它所需求的指令放在内存中的哪个方位。

寄存器是CPU内部的暂时存储单元。它保存等候被处理的数据,或许是现已处理过的数据(比如说,把两个数相加后的成果)。

算术逻辑单元,或简称为ALU,是CPU的运算器,履行指令所指示的数学和逻辑运算。

CPU还包括一些帮忙根本单元完结作业的附加单元:

取指器担任从RAM或许CPU上的存储区取出指令。

解码器从取指器中取出指令,把它翻译成CPU所能了解的言语。一起它也决议了完结该指令需求哪些进程。

操控器的作业是办理和操控CPU的一切操作。它告知ALU什么时分开端核算,取指器什么时分取一个0-1值,以及解码器什么时分把该值翻译成一条指令。

三、盯梢指令的处理进程

以下是CPU的作业进程:指令指示器指向内存中寄存指令的当地。取指器在那里取出指令,并把它交给解码器。解码器解说指令,并决议为完结该指令需求哪些进程。(一条指令能够由许多按规则次序完结的进程组成。)

然后,ALU履行指令所要求的操作:它对数据进行加、减运算,或许其它的一些处理。在CPU解说并履行完一条指令后,操控器会告知取指器在内存中取出下一条指令。这个进程一向继续着DD一条指令接一条指令,以令人目炫的速度运转DD直到终究,产生你在屏幕上所见的成果。一个程序,例如文字处理,便是由一系列的指令和数据构成的。

为了使一切都准时产生,各组成部分还需求一个时钟产生器。时钟产生器是用来调理CPU的每一个动作的。像节拍器相同,它宣布调整CPU脚步的脉冲。这些脉冲是以每秒数百万次,或许兆赫兹来核算的,后者,你或许还记得,是CPU原始频率的计量单位。时钟产生器每秒钟宣布的脉冲越多,CPU的运转速度就越快。在相同的条件下,700 MHz的CPU比600 MHz的CPU运转得快,可是,关于几个CPU的并行以及其它的方式来说,这些数字的含义并不那么严重。

四、CPU的增强功用

CPU只需求几个根本的部分就能够完结其作业,可是一向以来,为了进步其全体功用,出产厂家不断地修改了它的根本规划。终究的意图是共同的:为了使它更快地处理数据。

在寻觅进步处理速度的办法时,芯片制造商们发现CPU在向RAM读取数据或指令时,其自身没有在进行什么作业。为了削减CPU的闲暇期,他们在CPU的内部放置了一块称为cache的存储区。数据和指令能够暂存在CPU中,这样就削减了拜访RAM的次数。

出于扩展cache的主意,体系制造商们把高速的(价格贵重的)RAMDD也被称为第二级cache,或许L2 cacheDD放在CPU的榜首级cache和RAM体系之间。越接近CPU,就意味着拜访RAM的次数越少。

第二级cache关于进步CPU的功用是如此有利,以致于不久许多处理器就把它集成到CPU的内部,为寄存数据和指令供给了更多的空间。

五、更多的ALUs以及新增的FPU

为了进步运算功用,芯片制造商在CPU内部增设了别的一个算术逻辑单元。理论上,能够一次完结从前两倍的作业。运用多个ALU,就像厨房里有两个人,而不是一个人在安排,这意味着作业能够完结得更快。

除了运用多个ALU,Intel还在CPU内部集成了浮点运算单元(FPU)。FPU能够处理十分大的数和十分小的数(具有许多十进制位)。在FPU处理这些运算时分,ALU能够闲暇出来,做一些其它的工作,因此进一步增强了CPU的功用。

AMD和Intel都从前经过对指令进行流水线操作,或许并行操作来加快指令的履行进程。一条指令的履行需求许多独立的进程DD例如取指和解码。原本CPU只能履行完一条指令今后才干开端下一条指令的履行。可是现在,离散的电路能够履行各个独立的进程。

一旦一条指令从榜首步履行到第二步,那么运转其榜首步的晶体管就能够空出来,履行下一条指令,因此加快了履行速度。这就像爬梯子相同:一旦你的脚离开了一层台阶,你后边的人就能够跟上来。

为了进步CPU的功用,还添加了分支猜想,即猜想程序或许会跳到哪一步;估测履行,即提早履行程序或许履行的进程;还有随机运转,即不按程序的原有次序来履行程序的指令。

一切这些改善都大大进步了CPU的运算速度,例如本年的二月份,现已达到了1 GHz的水平,可是功用的规范也变得不再牢靠起来。核算机国际的测验标明最近几回速度的进步现已带来了负效益,特别是在运用那些十分依赖于硬盘的速度以及RAM的容量和速度的办公室运用软件的时分。

六、PC机里的CPU

有两大巨子主导着PC机的CPU商场:Intel和AMD,其间Intel在商用电脑和家用电脑的商场上占有了80%的比例。这两家公司都有适应于高级机、中档机和等级低机的各种类型的CPU。也有其它公司出产的CPU,例如Motorola的PowerPC 750,该款CPU是为Apple的Macintosh而规划的。

无论是AMD的 Athlon ,仍是 Intel的 Pentium III,在运转Microsoft的窗口操作体系时,其功用都是名列前茅的。这两款CPU在规划和功用上大致适当,两者都包括有能加快3D游戏和核算机辅佐软件运转的增强功用。

AMD和Intel的高级CPU可供很多的PC机运用,其运用范围从中等价格的家用机(600-850 MHz)一向到最贵重的工程体系和高级的多媒体体系(大约866 MHz以上)。而最新款的CPU的价格能够在整个体系价格的$200 到 $1000 之间。

在高级机中,具有1-GHz的CPU频率的PC机,价格在$2700 到$3300 之间,一起还取决于它的其它配件。而在中档机中,具有Intel或许AMD的600-850 MHz CPU的PC机,其价格从900美元高达1600多美元.

某些经济实惠的CPU(价格在$150以下的)与Athlons和PIIIs比较,其时钟速度要慢一些,cache的容量也更小,或速度更慢,而且增强功用也较少。例如AMD的K6-III、K6-2 以及Intel的Celeron,可作为价格低于$1000的PC机的装备.

便携式电脑上一般不能运转最快的CPU。由于桌面型的规划比膝上型的更易于散热,这就意味着后者只能运用速度较慢且功用还不是那么强壮的CPU。而且处理器的速度越快,耗费的电能就越多,也就很容易耗光电池的能量。所以现在,所运用的最快的便携式电脑的频率大约为700 MHz。

七、远景展望

CPU的制造商们总是不断地寻求改善的办法来进步CPU的功用。最近,他们的制造工艺现已从0.25微米达到了0.18微米的新水平,这使得晶体管之间的距离更小,而且与相同规划的结构比较,其运转速度更快,发热量更小。别的,用于晶体管间互连的铝线也现已被铜线所替代,而后者具有更佳的导电功用。

可是这些改善并不意味着会中止对更高的CPU时钟频率的追逐。Intel现已推出新一代的Pentium4处理器,其频率高达1.5 GHz,并将在本年年底上市。AMD也许诺将紧追不舍。

声明:本文内容来自网络转载或用户投稿,文章版权归原作者和原出处所有。文中观点,不代表本站立场。若有侵权请联系本站删除(kf@86ic.com)https://www.86ic.net/ziliao/sheji/149388.html

为您推荐

联系我们

联系我们

在线咨询: QQ交谈

邮箱: kf@86ic.com

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

返回顶部