計(jì)算機(jī)組成原理——cpu論文

1、0計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理——CPUCPU論文論文摘要CPU是計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算的核心其重要性相當(dāng)于人體的大腦，起著至關(guān)重要的作用。CPU的主要性能指標(biāo)有字長(zhǎng)、頻率、高速緩存、前端總線頻率、超線程技術(shù)的應(yīng)用、支持的擴(kuò)展指令集等等，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。要從了解CPU的發(fā)展歷程，運(yùn)行原理以及故障排除等多方面了解CPU，從而達(dá)到對(duì)CPU的全面認(rèn)識(shí)。關(guān)健詞關(guān)健詞CPU歷史工作原理故障排除ThepricipleoftheComp

2、uterCompomentCPUWuMinAbstractCPUistheceofcomputeroperationsitsimptanceisequivalenttothehumanbrainplaysavitalrolein.ThemainpropertiesofCPUindexwdlengthfrequencycacheFSBhyperthreadingtechnologysuppttheinstructionsetextensi

3、onsonthewholecomputerplaysanimptantroleintheperfmance.TounderstthedevelopmenthistyofCPUoperationprincipletroubleshootingtoknowmeaboutCPUtoachieveacomprehensiveunderstingofCPU.KeywdsCPU，HistyWkingpricipleTroubleshooting引言

4、引言CPU是CentralProcessingUnit（中央微處理器）的縮寫，又稱為微處理器。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全和信息家電產(chǎn)品將越來(lái)越普及，而CPU正是所有這些信息產(chǎn)品中必不可少的部件，CPU主要由運(yùn)算器和控制器組成，是微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的核心部件，起著控制整個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的作用。CPU性能的高低通常決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)的檔次。世界上生產(chǎn)CPU芯片主要有Intel和AMD兩家公司。Intel公司生產(chǎn)的CPU始終占有相

5、當(dāng)大的市場(chǎng)。目前，Intel公司生產(chǎn)的CPU主要有賽揚(yáng)系列、奔騰系列、酷睿系列等。AMD公司的CPU占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。AMD公司生產(chǎn)的CPU主要有閃龍系列、速龍系列等。1CPUCPU的簡(jiǎn)介和歷史發(fā)展的簡(jiǎn)介和歷史發(fā)展CPU的外部組成：控制單元，存儲(chǔ)單元（寄存器，緩存），邏輯運(yùn)算單元。CPU的外部組成：芯片，金屬殼（保護(hù)CPU，增加散熱面積），引腳（固定CPU，連通電路）。CPU是計(jì)算機(jī)的核心部件，處理計(jì)算機(jī)中的所有數(shù)據(jù)，使計(jì)算機(jī)完成各種

6、功能，并使各部件協(xié)調(diào)工作，決定了計(jì)算機(jī)的整體性能。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成。寄存器組用于在指令執(zhí)行過(guò)后存放操作數(shù)和中間數(shù)據(jù)，由運(yùn)算器完成指令所規(guī)定的運(yùn)算及操作。CPU的發(fā)展非常迅速，個(gè)人電腦從8088(XT)發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4時(shí)代，只經(jīng)過(guò)了不到二十年的時(shí)間。1971Intel4004，世界上第一款微處理器1974Intel8008，第一個(gè)8位的微處理器；1974Intel8080，第一個(gè)真正的微處理

7、器；1978Intel8086，16位微處理器；Intel80186；1982Intel80286；1985Intel80386，新一代32位核心微處理器；1989Intel80486；1993Pentium（奔騰）；從生產(chǎn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最初的8088集成了29000個(gè)晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過(guò)了2810萬(wàn)個(gè)晶體管；CPU的運(yùn)行速度，以MIPS(百萬(wàn)個(gè)指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時(shí)已超過(guò)了1000MI

8、PS。2解碼指令。在提取和解碼階段之后，接著進(jìn)入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進(jìn)行所需運(yùn)算的CPU部件。例如要求一個(gè)加法運(yùn)算，算術(shù)邏輯單元將會(huì)連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數(shù)值，而且在輸出將含有總和結(jié)果。ALU內(nèi)含電路系統(tǒng)，以于輸出端完成簡(jiǎn)單的普通運(yùn)算和邏輯運(yùn)算(比如加法和位運(yùn)算)。如果加法運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)對(duì)該CPU處理而言過(guò)大的結(jié)果，在標(biāo)志暫存器里，溢出標(biāo)志可能會(huì)被設(shè)置。最終階段，寫回。以一定格式將執(zhí)行階段的結(jié)果簡(jiǎn)單的寫

9、回。運(yùn)算結(jié)果極常被寫進(jìn)CPU內(nèi)部的暫存器，以供隨后指令快速訪問(wèn)。在其它案例中，運(yùn)算結(jié)果可能寫進(jìn)速度較慢，但容量較大且較便宜的主存。某些類型的指令會(huì)操作程序計(jì)數(shù)器，而不直接產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)。這些一般稱作“跳轉(zhuǎn)”并在程序中帶來(lái)循環(huán)行為、條件性執(zhí)行（透過(guò)條件跳轉(zhuǎn)）和函數(shù)[jumps]。許多指令也會(huì)改變標(biāo)志暫存器的狀態(tài)位。這些標(biāo)志可用來(lái)影響程序行為緣由于它們時(shí)常顯出各種運(yùn)算結(jié)果。例如，以一個(gè)“比較”指令判斷兩個(gè)值的大小，根據(jù)比較結(jié)果在標(biāo)志暫存器上設(shè)

10、置一個(gè)數(shù)值。這個(gè)標(biāo)志可借由隨后的跳轉(zhuǎn)指令來(lái)決定程序動(dòng)向。在執(zhí)行指令并寫回結(jié)果數(shù)據(jù)之后，程序計(jì)數(shù)器的值會(huì)遞增，反復(fù)整個(gè)過(guò)程，下一個(gè)指令周期正常的提取下一個(gè)順序指令。如果完成的是跳轉(zhuǎn)指令，程序計(jì)數(shù)器將會(huì)修改成跳轉(zhuǎn)到的指令地址，且程序繼續(xù)正常執(zhí)行。許多復(fù)雜的CPU可以一次提取多個(gè)指令、解碼，并且同時(shí)執(zhí)行。這個(gè)部分一般涉及“經(jīng)典RISC管線”，那些實(shí)際上是在眾多使用簡(jiǎn)單CPU的電子裝置中快速普及（常稱為單片機(jī)）。CPU數(shù)字表示方法是一個(gè)設(shè)計(jì)上的

11、選擇這個(gè)選擇影響了設(shè)備的工作方式。一些早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用電氣模型來(lái)表示通用的十進(jìn)制(基于10進(jìn)位)數(shù)位系統(tǒng)數(shù)字。還有一些罕見(jiàn)的計(jì)算機(jī)使用三進(jìn)制表示數(shù)字。幾乎所有的現(xiàn)代的CPU使用二進(jìn)制系統(tǒng)來(lái)表示數(shù)字，這樣數(shù)字可以用具有兩個(gè)值的物理量來(lái)表示，例如高低電平[binaryvoltage]等等。與數(shù)表示相關(guān)的是一個(gè)CPU可以表示的數(shù)的大小和精度，在二進(jìn)制CPU情形下，一個(gè)位（bit）指的是CPU處理的數(shù)中的一個(gè)有意義的位，CPU用來(lái)表示數(shù)

12、的位數(shù)量常常被稱作“字長(zhǎng)”“位寬”“數(shù)據(jù)通路寬度”或者當(dāng)嚴(yán)格地涉及到整數(shù)（與此相對(duì)的是浮點(diǎn)數(shù)）時(shí)稱作“整數(shù)精度”、該數(shù)量因體系結(jié)構(gòu)而異，且常常在完全相同的CPU的不同部件中也有所不同。實(shí)際上，整數(shù)精度在CPU可執(zhí)行的軟件所能利用的整數(shù)取值范圍上設(shè)置了硬件限制。整數(shù)精度也可影響到CPU可尋址（尋址）的內(nèi)存數(shù)量。譬如，如果二進(jìn)制的CPU使用32位來(lái)表示內(nèi)存地址，而每一個(gè)內(nèi)存地址代表一個(gè)八位組，CPU可定位的容量便是232個(gè)位組或4GB。以上

13、是簡(jiǎn)單描述的CPU地址空間，通常實(shí)際的CPU設(shè)計(jì)使用更為復(fù)雜的尋址方法，例如為了以同樣的整數(shù)精度尋址更多的內(nèi)存而使用分頁(yè)技術(shù)。更高的整數(shù)精度需要更多線路以支持更多的數(shù)字位，也因此結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、更巨大、更花費(fèi)能源，也通常更昂貴。因此盡管市面上有許多更高精準(zhǔn)度的CPU如16、32、64甚至128位，但依然可見(jiàn)應(yīng)用軟件執(zhí)行在4或8位的單片機(jī)上。越簡(jiǎn)單的單片機(jī)通常較便宜，花費(fèi)較少能源，也因此產(chǎn)生較少熱量。這些都是設(shè)計(jì)電子設(shè)備的主要考量。2.22.

14、2CPUCPU的運(yùn)行過(guò)程的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備流經(jīng)內(nèi)存，等待CPU的處理，這些將要處理的信息是按字節(jié)存儲(chǔ)的，也就是以8位二進(jìn)制數(shù)或8比特為1個(gè)單元存儲(chǔ)，這些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴CPU對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運(yùn)算。假設(shè)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡(jiǎn)單的原始數(shù)據(jù)。首先，指令指針(InstructionPointer)會(huì)通知CPU，將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。因?yàn)閮?nèi)

15、存中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)(稱為地址)，可以根據(jù)這些地址把數(shù)據(jù)取出，通過(guò)地址總線送到控制單元中，指令譯碼器從指令寄存器IR中拿來(lái)指令，翻譯成CPU可以執(zhí)行的形式，然后決定完成該指令需要哪些必要的操作，它將告訴算術(shù)邏輯單元(ALU)什么時(shí)候計(jì)算，告訴指令讀取器什么時(shí)候獲取數(shù)值，告訴指令譯碼器什么時(shí)候翻譯指令等等。假如數(shù)據(jù)被送往算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)將會(huì)執(zhí)行指令中規(guī)定的算術(shù)運(yùn)算和其他各種運(yùn)算。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，將回到寄存器中，通過(guò)不同的指令將數(shù)