CPU是由什么构成的?
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  • 2020-03-08 06:25

  CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。

  运算器是计算机对数据进行加工处理的中心,它主要由算术逻辑部件(ALU:Arithmetic and Logic Unit)、寄存器组和状态寄存器组成。ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。通用寄存器组是用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。状态寄存器在不同的机器中有不同的规定,程序中,状态位通常作为转移指令的判断条件。

  控制器是计算机的控制中心,它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑等几个部分。

  指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作。时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。一般时钟脉冲就是最基本的时序信号,是整个机器的时间基准,称为机器的主频。执行一条指令所需要的时间叫做一个指令周期,不同指令的周期有可能不同。一般为便于控制,根据指令的操作性质和控制性质不同,会把指令周期划分为几个不同的阶段,每个阶段就是一个CPU周期。早期CPU同内存在速度上的差异不大,所以CPU周期通常和存储器存取周期相同,后来,随着CPU的发展现在速度上已经比存储器快很多了,于是常常将CPU周期定义为存储器存取周期的几分之一。

  总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。就CPU而言一般分为内部总线和CPU对外联系的外部总线,外部总线有时候又叫做系统总线、前端总线(FSB)等。

  中断是指计算机由于异常事件,或者一些随机发生需要马上处理的事件,引起CPU暂时停止现在程序的执行,转向另一服务程序去处理这一事件,处理完毕再返回原程序的过程。由机器内部产生的中断,我们把它叫做陷阱(内部中断),由外部设备引起的中断叫外部中断。

  中央处理器,是计算机的头脑,90%以上的数据信息都是由它来完成的。它的工作速度快慢直接影响到整部电脑的运行速度。CPU集成上万个晶体管,可分为控制单元(Control Unit;CU)、逻辑单元(Arithmetic Logic Unit;ALU)、存储单元(Memory Unit;MU)三大部分。以内部结构来分可分为:整数运算单元,浮点运算单元,MMX单元,L1 Cache单元和寄存器等。

  CPU内部的时钟频率,是CPU进行运算时的工作频率。一般来说,主频越高,一个时钟周期里完成的指令数也越多,CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同,并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。

  即系统总线,CPU与周边设备传输数据的频率,具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。

  原先并没有倍频概念,CPU的主频和系统总线的速度是一样的,但CPU的速度越来越快,倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为:主频 = 外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数,当外频不变时,提高倍频,CPU主频也就越高。

  CPU进行处理的数据信息多是从内存中调取的,但CPU的运算速度要比内存快得多,为此在此传输过程中放置一存储器,存储CPU经常使用的数据和指令。这样可以提高数据传输速度。可分一级缓存和二级缓存。

  即L1 Cache。集成在CPU内部中,用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作,L1级高速缓存缓存的容量越大,存储信息越多,可减少CPU与内存之间的数据交换次数,提高CPU的运算效率。但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在有限的CPU芯片面积上,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。

  即L2 Cache。由于L1级高速缓存容量的限制,为了再次提高CPU的运算速度,在CPU外部放置一高速存储器,即二级缓存。工作主频比较灵活,可与CPU同频,也可不同。CPU在读取数据时,先在L1中寻找,再从L2寻找,然后是内存,在后是外存储器。所以L2对系统的影响也不容忽视。

  是指CPU与扩展设备之间的数据传输速度。扩展总线就是CPU与外部设备的桥梁。

  数据总线负责整个系统的数据流量的大小,而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。

  在生产CPU过程中,要进行加工各种电路和电子元件,制造导线连接各个元器件。其生产的精度以微米(um)来表示,精度越高,生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件,连接线也越细,提高CPU的集成度,CPU的功耗也越小。这样CPU的主频也可提高,在0.25微米的生产工艺最高可以达到600MHz的频率。而0.18微米的生产工艺CPU可达到G赫兹的水平上。0.13微米生产工艺的CPU即将面市。

  是指CPU正常工作所需的电压,提高工作电压,可以加强CPU内部信号,增加CPU的稳定性能。但会导致CPU的发热问题,CPU发热将改变CPU的化学介质,降低CPU的寿命。早期CPU工作电压为5V,随着制造工艺与主频的提高,CPU的工作电压有着很大的变化,PIIICPU的电压为1.7V,解决了CPU发热过高的问题。

  MMX(MultiMedia Extensions,多媒体扩展指令集)英特尔开发的最早期SIMD指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度。

  SSE(Streaming SIMD Extensions,单一指令多数据流扩展) 英特尔开发的第二代SIMD指令集,有70条指令,可以增强浮点和多媒体运算的速度。

  3DNow!(3D no waiting) AMD公司开发的SIMD指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度,它的指令数为21条。

  CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。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和特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。

  中央处理器(Central Processing Unit)的缩写,即CPU,CPU是电脑中的核心配件,只有火柴盒那么大,几十张纸那么厚,但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令,对指令译码并执行指令的核心部件。

  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。

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