CPU的功能Word下载.docx

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在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。

只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。

4.数据加工

　　即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。

工作原理

　　CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。

它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。

　　指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。

有的指令中也直接包含操作数本身。

提取

　　第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。

由程序计数器（ProgramCounter）指定存储器的位置，程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。

换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。

　　提取指令之后，程序计数器根据指令长度增加存储器单元。

指令的提取必须常常从相对较慢的存储器寻找，因此导致CPU等候指令的送入。

这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。

解码

　　CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。

在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。

根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。

　　一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。

其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。

这样的运算目标也许提供一个常数值（即立即值），或是一个空间的定址值：

暂存器或存储器位址，以定址模式决定。

　　在旧的设计中，CPU里的指令解码部分是无法改变的硬件设备。

不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。

这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。

执行

　　在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。

该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。

　　例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元（ALU，ArithmeticLogicUnit）将会连接到一组输入和一组输出。

输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。

ALU内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位元运算）。

如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里，运算溢出（ArithmeticOverflow）标志可能会被设置。

写回

　　最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。

运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。

在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。

某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。

这些一般称作“跳转”（Jumps），并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。

　　许多指令会改变标志暂存器的状态位元。

这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。

　　例如，以一个“比较”指令判断两个值大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。

这个标志可藉由随后跳转指令来决定程式动向。

　　在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。

如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程序继续正常执行。

许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。

这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及（常称为微控制（Microcontrollers））。

基本结构

　　CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。

运算逻辑部件

　　运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器部件

　　寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。

32位CPU的寄存器

　　通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。

　　通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。

通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。

　　专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。

　　控制寄存器通常用来指示机器执行的状态，或者保持某些指针，有处理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。

　　有的时候，中央处理器中还有一些缓存，用来暂时存放一些数据指令，缓存越大，说明CPU的运算速度越快，目前市场上的中高端中央处理器都有2M左右的二级缓存，高端中央处理器有4M左右的二级缓存。

控制部件

　　控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

　　其结构有两种：

一种是以微存储为核心的微程序控制方式；

一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

　　微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；

各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。

中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。

　　简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。

　　逻辑硬布线控制器则完全是由随机逻辑组成。

指令译码后，控制器通过不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信号，直接去执行一条指令中的各个操作。

发展历史

1971年：

4004微处理器

　　Intel在1969年为日本计算机制造商Busicom的一项专案，着手开发第一款微处理器，为一系列可程式化计算

微处理器（3张）

机研发多款晶片。

最终，英特尔在1971年11月15日向全球市场推出4004微处理器，当年Intel4004处理器每颗售价为200美元。

4004是英特尔第一款微处理器，为日后开发系统智能功能以及个人电脑奠定发展基础，其晶体管数目约为2千3百颗。

1972年：

8008微处理器

　　翌年，Intel推出8008微处理器，其运算威力是4004的两倍。

RadioElectronics于1974年刊载一篇文章介绍一部采用8008的Mark-8装置，被公认是第一部家用电脑，在当时的标准来看，这部电脑在制造、维护、与运作方面都相当困难。

Intel8008晶体管数目约为3千5百颗。

1974年：

8080微处理器

　　1974年，Intel推出8080处理器，并作为Altair个人电脑的运算核心，Altair在《星舰奇航》电视影集中是企业号太空船的目的地。

电脑迷当时可用395美元买到一组Altair的套件。

它在数个月内卖出数万套，成为史上第一款下订后制造的机种。

Intel8080晶体管数目约为6千颗。

1978年：

8086、8088微处理器

　　取得IBM新成立之个人电脑部门敲定的重要销售合约，让Intel8088处理器成为IBM新款畅销产品，IBM个人电脑的大脑，Intel8088处理器的成功将英特尔拱上财富杂志500大企业排行榜，财富杂志将英特尔评为“70年代最成功的企业”之一。

Intel8088晶体管数目约为29,000。

1982年：

80286微处理器

　　80286（也被称为286）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器，这种软件相容性之后成为英特尔全系列微处理器的注册商标，在6年的销售期中，估计全球各地共安装了1500万部286个人电脑。

Intel80286处理器晶体管数目为13万4千颗。

1985年：

80386微处理器

　　Intel80386微处理器内含275,000个晶体管—比当初的4004多了100倍以上，这款32位元处理器首次支持多工任务设计，能同时执行多个程序。

Intel80386晶体管数目约为27万5千颗。

1989年：

Intel80486微处理器

　　Intel80486处理器世代让电脑从命令列转型至点选式（pointtoclick）的图形化操作环境，据史密森美国历史博物馆的科技史学家DavidK.Allison回忆道：

“当时我拥有第一部彩色萤幕电脑，开始能以大幅加快的速度进行桌面排版作业。

”Intel80486处理器率先内建数学协同处理器，由于能扮演中央处理器处理复杂数学运算，因此能加快整体运算的速度。

Intel80486晶体管数目为120万颗。

1993年：

IntelPentium处理器

　　Pentium是Intel首个放弃利用数字来命名的处理器产品，在微架构上取得突破，让电脑更容易处理“现实世界”的资料，例如语音、声音、书写、以及相片影像。

源自漫画与电视脱口秀的Pentium，在问市后立即成为家喻户晓的名字，IntelPentium处理器晶体管数目为310万颗。

1996年：

IntelPentiumPro处理器

　　初步占据了一部分CPU市场的INTEL并没有停下自己的脚步，在其他公司还在不断追赶自己的奔腾之际，又在1996年推出了最新一代的第六代X86系列CPU枣P6。

P6只是它的研究代号，上市之后P6有了一个非常响亮的名字枣PentiumPro。

PentiumPro的内部含有高达550万个的晶体管，内部时钟频率为133MHZ，处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。

PentimuPro的一级（片内）缓存为8KB指令和8KB数据。

值得注意的是在PentimuPro的一个封装中除PentimuPro芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。

PentiumPro200MHZCPU的L2CACHE就是运行在200MHZ，也就是工作在与处理器相同的频率上。

这样的设计领PentiumPro达到了最高的性能。

而PentimuPro最引人注目的地方是它具有一项称为“动态执行”的创新技术，这是继PENTIUM在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。

PentimuPro系列的工作频率是150/166/180/200，一级缓存都是16KB，而前三者都有256KB的二级缓存，至于频率为200的CPU还分为三种版本，不同就在于他们的内置的缓存分别是256KB，512KB，1MB。

1997年：

IntelPentiumII处理器

　　内含750万个晶体管的PentiumII处理器结合了IntelMMX技术，能以极高的效率处理影片、音效、以及绘图资料，首次采用SingleEdgeContact（S.E.C）匣型封装，内建了高速快取记忆体。

这款晶片让电脑使用者撷取、编辑、以及透过网际网络和亲友分享数位相片、