cpu架構(gòu)及工作原理

        （一）架構(gòu)介紹

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        我們都知道CPU的根本任務(wù)就是執(zhí)行指令，對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)最終都是一串由“0”和“1”組成的序列。CPU從邏輯上可以劃分成3個(gè)模塊，分別是控制單元、運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來(lái)。如下所示：

 

控制單元：控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、指令譯碼器ID(InstructionDecoder)和操作控制器OC(OperationController)等，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶(hù)預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號(hào)。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

運(yùn)算單元：是運(yùn)算器的核心?？梢詧?zhí)行算術(shù)運(yùn)算(包括加減乘數(shù)等基本運(yùn)算及其附加運(yùn)算)和邏輯運(yùn)算(包括移位、邏輯測(cè)試或兩個(gè)值比較)。相對(duì)控制單元而言，運(yùn)算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

存儲(chǔ)單元：包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因?yàn)槭艿叫酒娣e和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專(zhuān)用寄存器和通用寄存器。專(zhuān)用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途，通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。這個(gè)是我們以后要介紹這個(gè)重點(diǎn)，這里先提一下。

我們將上圖細(xì)化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：

總的來(lái)說(shuō)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。
   上圖中我沒(méi)有畫(huà)總線，只是用邏輯方式對(duì)其進(jìn)行呈現(xiàn)。原因早期Intel的微處理器，諸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用技術(shù)，即將部分(或全部)地址總線與數(shù)據(jù)總線共用CPU的一些引腳。例如8086外部地址總線有20根，數(shù)據(jù)總線復(fù)用了地址總線的前16根引腳。復(fù)用的數(shù)據(jù)總線和地址總線雖然可以少CPU的引腳數(shù)，但卻引入了控制邏輯及操作序列上的復(fù)雜性。所以，自80286開(kāi)始，Intel的CPU才采用分開(kāi)的地址總線和數(shù)據(jù)總線。
   不管是復(fù)用還是分開(kāi)，對(duì)我們理解CPU的運(yùn)行原理沒(méi)啥影響，上圖沒(méi)畫(huà)總線的目的就是怕有些人太過(guò)于追求細(xì)節(jié)，一頭扎下去，浮不起來(lái)，不能從宏觀上藐視敵人。
   OK，總結(jié)一下，CPU的運(yùn)行原理就是：控制單元在時(shí)序脈沖的作用下，將指令計(jì)數(shù)器里所指向的指令地址(這個(gè)地址是在內(nèi)存里的)送到地址總線上去，然后CPU將這個(gè)地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對(duì)于執(zhí)行指令過(guò)程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會(huì)將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲(chǔ)單元(就是內(nèi)部寄存器)暫存起來(lái)，最后命令運(yùn)算單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。周而復(fù)始，一直這樣執(zhí)行下去，天荒地老，?？葜€，直到停電。
 
   1、取指令：CPU的控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個(gè)樣子滴：

        操作碼就是匯編語(yǔ)言里的mov,add,jmp等符號(hào)碼；操作數(shù)地址說(shuō)明該指令需要的操作數(shù)所在的地方，是在內(nèi)存里還是在CPU的內(nèi)部寄存器里。
   2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數(shù)在哪里(操作數(shù)的地址)。
   3、 執(zhí)行指令，分兩個(gè)階段“取操作數(shù)”和“進(jìn)行運(yùn)算”。
   4、 修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址。

        （二）相關(guān)參數(shù)介紹

1、主頻

主頻是時(shí)鐘頻率，表示在cpu內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度。主頻=外頻*倍頻。單位為GHz，1GHz表示每秒震蕩10億次。

2、外頻

外頻是cpu的基準(zhǔn)頻率，是cpu與外界（主板、內(nèi)存）同步運(yùn)行的速度。

3、前段總線頻率

所要表達(dá)的是數(shù)據(jù)傳輸速率，并非頻率。計(jì)算公式是位寬（64）*外頻/8（Byte）=MB/s

4、倍頻

倍頻系數(shù)指的是主頻是外頻的倍數(shù)。

5、cpu內(nèi)核和I/O工作電壓

一般制作工藝越小，內(nèi)核工作電壓越低；I/O電壓一般在1.6~3V，低電壓能解決耗電大和發(fā)熱高的問(wèn)題。

6、制造工藝

指的是在硅材料上生產(chǎn)cpu時(shí)內(nèi)部各元器材的連接線寬度，一般用納米表示。

7、流水線與超流水線

在cpu中由5-6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條指令分成5-6步后再交由這些電路單元分別執(zhí)行，以此提高cpu的運(yùn)算速度。流水線超過(guò)通常數(shù)量的叫做超流水線。

參考文章：http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3563960.html

本文名稱(chēng)：cpu架構(gòu)及工作原理
文章路徑：http://muchs.cn/article10/iephgo.html

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