第二章微处理器CPU文档格式.docx

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微处理器即中央处理单元（Centerprocessunit）,简称CPU，是计算机硬件中的一个具有运算能力和控制功能的，由算术逻辑单元、控制器、数据通路及若干寄存器组成，并采用大规模集成电路技术把其集成在一个芯片构成的核心部件。

2.1.2微处理器在计算机中的地位和作用

微处理器是计算机的核心部件，是整个计算机系统的运算中心和控制中心。

CPU不仅能完成整个计算机的所有计算任务，而且，计算机中其它各个部件也是由CPU控制下完成各自工作的。

CPU是微机中的主要部件，微机的性能主要取决于CPU的性能。

在微机发展的历程中，主要是由于CPU的不断更新换代带动了整体的发展，CPU的性能对微机的整体性能产生决定的影响。

对于一台个人计算机，通常我们主要依据其CPU的型号来判断是第几代产品，此外，微机的型号也常用CPU的型号来描述的。

如286机、386机、486机等。

所有这些，都取决于CPU在整个计算机中的地位和作用。

2.1.3微处理器的功能

微处理器由运算器和控制器组成，运算器完成计算机的算术运算和逻辑运算，控制器用于产生控制计算机各部件协调工作的控制信号。

计算机工作的实质是运行完成此工作对应的程序，而程序是采用计算机语言把工作的实现步骤或计划描述出来构成的指令有序集合。

计算机执行程序时，首先由输入设备把构成程序的指令和数据输入到计算机存贮器中，以后，在CPU控制器控制下就自动完成取指令和执行指令的任务。

运算器完成指令的算术运算和逻辑运算。

即完成两个二进制数的加、减、乘、除算术运算和与、或、非等逻辑运算。

而控制器负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序，其基本功能是取指令，分析指令和执行指令。

1.取指令

控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令从存储器取到控制器中。

2.分析指令

控制器分析指令包括两部分内容，其一，分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令；

其二，分析参与这次操作的操作数地址。

3.执行指令

执行指令就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，形成操作控制信号序列，通过对运算器、存贮器以及I/O设备的操作，执行每条指令。

具体来说微处理器完成如下功能：

●进行算术逻辑运算

●可接收和发送数据

●可暂存少量数据

●提供控制各部件工作的控制信号

●对指令进行解码

总之，CPU具有控制程序的顺序执行（指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（操作控制）、对各种操作实施时间上的控制（时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）和中断处理等功能。

一句话，CPU具有指令控制、操作控制、时间控制及数据加工和中断处理等功能。

2.2微处理器的主要技术指标

1．时钟频率

CPU的时钟频率又分为内频和外频两种。

（1）内频

内频又称为主频，是CPU内部使用的时钟频率。

通常所说CPU的频率就是指其内频，单位是MHz。

例如PⅡ333的CPU，指的是奔腾2代的CPU，内频为333MHz。

（2）外频

外频又称为内存总线频率，单位也是MHz。

早期CPU内部使用的时钟频率与内存总线上使用的时钟频率是相同的，后来使用了倍频技术，把外频经过若干倍倍频后，成为内频。

比如：

90MHz的CPU使用60MHz的外频，经过1.5倍倍频后成为90MHz；

166MHz的CPU使用66MHz的外频，经过2.5倍倍频后成为166MHz。

常见的外频有60MHz、66MHz、75MHz、83MHz、90MHz、100MHz、133MHz、166MHz等。

2．数据总线宽度

数据总线宽度决定了CPU与内存一次交换数据的最大位数，其宽度已从最初的8位发展到64位。

多数情况下，CPU对内存的访问是访问连续的一段内存，所以在同样的频率下，数据总线越宽，完成访问的时间就越短。

3.地址总线宽度

地址总线宽度决定了CPU可以访问的内存大小，也称为寻址范围。

最初的8088CPU有20条地址线，所以可以访问1MB的内存。

从80386CPU到奔腾CPU都使用32条地址线，所以可以访问4GB的内存。

最新的CPU使用64条地址线，可以夸张地说，它的寻址范围是无限的。

4．供电电压

CPU的供电电压分为CPU核心电压和外部电压两种。

在早期的CPU中这两者是统一的+5V电压，随着CPU速度和集成度的不断提高，CPU的发热量也越来越大，降低CPU的电压可以减少发热量，但是如果CPU与外部进行信息交换的电压太低，其抗干扰能力就很弱，所以目前这个电压—般都使用3.3V，而核心电压可以降得更低。

⒌高速缓存

随着计算机技术的不断发展，CPU的工作速度越来越快，但是计算机的主内存（通常采用DRAM）的工作速度却没能迅速提高。

SRAM的工作速度虽然很快，但因其价格太贵，不能用作主内存。

为了解决这个矛盾，进—步提高计算机的速度，采用了SRAM做高速缓冲存储器，简称高速缓存。

—般把CPU中的高速缓存叫做—级高速缓存，主板上的高速缓存叫二级高速缓存，而在高能奔腾等CPU中除了CPU核心的一级高速缓存外，同一封装还包括二级高速缓存，这时主板上的高速缓存退为三级高速缓存。

由于高速缓存的价格很贵，另外目前CPU访问主内存的速度是计算机工作的瓶颈，所以CPU中的高速缓存的数量就成为当代CPU的—项重要指标。

2.3微处理器的产生与发展

微处理器的产生是集成电路工艺和计算机技术发展的产物，并且伴随其发展而发展。

1971年10月，美国Intel公司首先推出了Intel4004处理器，这是一个实现4位并行运算的单片微处理器，构成运算器和控制器的所有原件都集成在一片大规模集成电路芯片上。

现在看来这片微处理器性能不强，但它毕竟是人类第一个生产的微处理器，它为以后计算机发展起到了深远的影响。

从1971年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处理器经历了四代的发展。

1971年－1973年为第一代。

这是4位微处理器和低档8位微处理器的时期，其典型产品是Intel4004和Intel8008，字长分别为4位和8位，集成度约为2000管／片，时钟频率为1MHz，用在各种类型的计算器中已经完全满足要求。

1973年－1975年为第二代。

这是8位微处理器时期，其典型产品是Intel8080和MC6800，集成度约为5000管/片，时钟频率为2MHz。

1975年-1977年为第三代。

其典型产品是Intel8085、M6802和Z80，字长为8位，集成度约为10000管/片,时钟频率为2.5－5MHz。

1978年－1980年为第四代。

其典型产品是Intel8086、MC68000和Z8000，字长为16位，集成度约为30000管／片，时钟频率为5MHz。

1981年以后产生了第五代微处理器。

这是32位微处理器时期，典型产品有：

1983年，Zilog公司的Z8000；

1984年Motorola公司的MC68020，其集成度为17万管/片；

1985年夏，Intel公司的Intel80386，其集成度为27.5万管/片，时钟频率为16-25MHz；

1989年，Intel公司将数学协处理器和高速缓存加到80386芯片内，推出了80486微处理器。

80486与80386完全兼容，但速度要比80386快，80486采用高集成度的超大规模集成电路，芯片内含有120万个晶体管，时钟频率可以达到100MHz。

1993年3月，Intel公司推出64位的Pentium微处理器芯片，它采用比80486更高集成度的超大规模集成电路。

Pentium与80386或80486完全兼容，采用32位地址线和64位收据线，地址范围为4GB，时钟频率可达500MHz甚至更高。

目前，奔腾系列CPU有Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumIV，其中PentiumIV的集成度己达到4200万/片。

总之,微处理器自1971年问世以来，在短短的三十年时间里以极快的速度发展，几乎每隔2-3年就要更换一代，集成度、速度、性能越来越高，可靠性增加，成本降低，并且，微处理器的每次发展，都导致了以微处理器为核心的微型计算机的发展。

2.4当今流行CPU简介

世界上生产CPU的厂家有多个，但比较有名的有Intel公司、AMD公司、Cyrix公司、IDT等公司，在CPU领域占主导地位的是Intel公司。

1．Intel公司的CPU

（1）PentiumⅡCPU

PentiumⅡCPU是Intel公司在推出PentiumMMX系列后于1997年5月正式推出的又一个CPU产品，它是PentiumPro的改进型，它的核心其实就是PentiumPro+MMX,它支持MMX技术，同时将L1Cache提高到32KB，并采用了独立双重总线结构，在速度上大幅度提高了运行频率。

PentiumⅡ采用0.25μm、2.0V核心电压、4.4nsCache和100MHZ总线等设计。

其主频多是350MHZ~450MHZ。

此外，为了满足三维图形、图像及多媒体应用程序等可视计算机能力的需要，PentiumⅡCPU提供了整数运算、浮点数运算和多媒体等三方面的优异计算能力。

（2）PentiumⅢCPU

PentiumⅢCPU是Intel公司1999年第一季度新产品。

产品设计上仍保持了0.25μm、半速512KBCache和Slot1接口技术，有晶体管950万个，主频从450MHz和500MHz开始，最高可达1GHz以上。

PentiumⅢCPU具有片内32KB一级Cache和512KB二级Cache，可以访村问内存4GB~64GB（双处理器）。

PentiumⅢCPU具有合理的内存管理，使CPUCache和主存存取更趋合理，提高了系统整体性能。

PentiumⅢ最重要的改进是采用了SSE指令，以增强三维和浮点运算能力。

并在设计中考虑了互联网的应用。

PentiumⅢCPU具有一个流水线式的浮点运算单元，可支持32位64位和80位的浮点运算，它的另一个特点是处理器中包含了序列号，每个PentinmⅢ处理器都有一个特定的号码，用户既可以用它进行对机器认证，也可以用它进行加密，以提高应用的保密性。

（3）CeleronCPU

Intel公司为了抢占一段时期被AMD公司及Syrix公司占据的1000美元以下的低端PC市场，推出了Celeron（赛扬）系列CPU。

CeleronCPU是面向低端市场的产品，实际