计算机组成原理 CPU概述

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CPU 组成部分
zifan子凡问答2019-03-02 20:46:06阅读(6566)
CPU由计算机、控制器和寄存器组组成。它是计算机的核心，对计算机的整体性能有决定性的影响。CPU是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

CPU 由计算机、控制器和寄存器组组成。它是计算机的核心，对计算机的整体性能有决定性的影响。CPU 它是一个大型集成电路，是计算机的计算核心和控制核心。其功能主要是解释计算机指令和处理计算机软件中的数据。

CPU

CPU 主要功能处理指令是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的指令之间有严格的顺序，必须严格按照程序规定的顺序执行，以确保计算机系统工作的正确性。还有执行操作、控制时间和处理数据功能。

一、CPU 的内核

从结构上讲 CPU 内核分为运算器和控制器两部分。

（一） 运算器

1、 算术逻辑操作单元 ALU（Arithmetic and Logic Unit）

ALU 定点算术操作(加减乘除)、逻辑操作(和或非或)和移位操作主要完成二进制数据。在某些领域 CPU 还有专门用于处理移位操作的移位器。

通常 ALU 由两个输入端和一个输出端组成。 IEU（Integer Execution Unit）。我们通常所说的CPU 是 XX 位是指 ALU 数据的位数可以处理。

2、 浮点操作单元 FPU（Floating Point Unit）

FPU 主要负责浮点运算和高精度整数运算。 FPU 还具有向量操作功能，其他有专门的向量处理单元。

3、 通用寄存器组

通用寄存器组是一组保存操作数量和中间结果的最快的存储器。

对于 x86 只支持指令集 8 一般寄存器的缺点，Intel 最新 CPU 它采用了一种叫做寄存器重命名的技术 x86CPU 寄存器可以突破 8 实现个人限制 32 甚至更多。

4、 专用寄存器

专用寄存器通常是一些不能通过程序改变的状态寄存器 CPU 控制自己，表明某种状态。

（二） 控制器

操作员只能控制整个操作 CPU 的工作。

1、 指令控制器

指令控制器是控制器中非常重要的组成部分它需要完成指令、分析指令等操作，然后交给执行单位（ALU 或 FPU）同时形成下一个指令的地址。

2、 时序控制器

时间控制器的功能是按时间顺序为每个指令提供控制信号。时间控制器包括时钟发生器和倍频定义单元，其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号 CPU 主频；倍频定义单元定义 CPU 主频是存储频率(总线频率)的几倍。

3、 总线控制器

主要用于控制总线控制器 CPU 内外总线，包括地址总线、数据总线、控制总线等。

中断控制器

中断控制器用于控制各种中断请求，并根据优先级排队，逐一交给中断请求 CPU 处理。

二、CPU 的外核

1、解码器（Decode Unit）

这是 x86CPU 独特的设备，其功能是使长度不确定 x86 指令转换为固定长度的指令，并移交给核心。解码分为硬件解码和微解码，简单 x86 只需硬件解码指令，速度快，遇到复杂 x86 该指令需要微解码，并将其分成几个简单的指令，速度慢而复杂。幸运的是，这些复杂的指令很少使用。

2.一级缓存和二级缓存（Cache）

一级缓存和二级缓存是为了快速缓解 CPU 缓存通常集成在慢存储器之间的矛盾中 CPU 内核，二次缓存是以 OnDie 或 OnBoard 以比存储器更快的速度运行。对于一些大数据交换工作，CPU 的 Cache 尤其重要。

三、指令系统

要讲 CPU，了解指令系统。指令系统指的是一个 CPU 所有可以处理的指令的集合是一个 CPU 指令系统决定了一个基本属性 CPU 什么样的程序可以操作。我们常说的 CPU 都是 X86 系列及兼容 CPU ，所谓 X86 指令集是美国 Intel 公司是第一块 16 位 CPU（i8086)是专门开发的，虽然是随之而来的 CPU 技术的不断发展，Intel 先后开发出更新型 i80386、i80486 直到今天的 Pentium4 系列，但为了保证计算机能够继续运行以往开发的各种应用程序，以保护和继承丰富的软件资源(如 Windows 系列），Intel 公司生产的一切 CPU 继续使用 X86 指令集。 另外除 Intel 公司之外，AMD 和 Cyrix 制造商也相继生产和使用 X86 指令集的 CPU，由于这些 CPU 一切都可以操作 Intel CPU 所开发的各种软件，所以计算机行业的人都会这样做 CPU 列为 Intel 的 CPU 兼容产品。

四、CPU 主要技术分析

1.流水线技术

流水线(pipeline)是 InteI 首次在 486 开始使用芯片。流水线的工作模式就像工业生产中的装配流水线。在 CPU 中由 5~6 不同功能的电路单元形成指令处理流水线，然后形成指令处理流水线 X86 指令分成 5~6 步后由这些电路单元分别执行，以便在一个电路单元中实现 CPU 时钟周期完成一条指令，从而提高了 CPU 运算速度。

2.超流水线和超标技术

超流水线是指某些 CPU 内部装配线超过通常 5~6 比如 Intel Pentium 4 装配线长达 20 步。流水线设计的步骤(级)越多，完成指令的速度就越快，从而适应更高的工作频率 CPU。超标量(supe rscalar)是指在 CPU 有一条以上的装配线，每个时钟周期可以完成一条以上的指令，称为超标技术。

三、乱执行技术

乱序执行(out-of-orderexecution)是指 CPU 采用允许不按程序规定的顺序向相应的电路单元发送多个指令的技术。例如，程序有一段 7 指令，此时 CPU 根据各单元电路的空闹状态和各指令能否提前执行的具体情况，立即将能够提前执行的指令发送给相应的电路。当然，在每个单元未按规定的顺序执行指令后，操作结果必须由相应的电路重新按照原程序规定的指令顺序排列，然后才能返回程序。这种操作模式称为乱序执行(也称为错序执行)技术，不按顺序拆散每个指令。使用乱序执行技术的目的是使 CPU 内部电路满载运行并相应增加 CP U 运行程序的速度。

4.分技术可追溯性和推测执行技术

分枝预测(branch prediction)和推测执行(speculatlon execution) 是 CPU 动态执行技术的主要内容是目前 CPU 主要采用的先进技术之一。分支预测和动态执行的主要目的是改进 CPU 运算速度。推测执行是基于分枝预测，分枝预测程序是否分枝后的处理，即推测执行.

5.指示特殊扩展技术

从最简单的计算机开始，指令序列可以获得计算对象并计算它们。对于大多数计算机来说，这些指令只能同时计算一次。若需要完成一些并行操作，则需要连续执行多次计算。这种计算机使用单指令单数据（SISD）处理器。在介绍 CPU 扩展指令或特殊扩展或特殊扩展 CPU 是否具有对 X86 指令集进行指令扩展而言。扩展指令中最早出现的是 InteI 公司的“MMX”，然后是 Pentium III 中的“SSE以及现在 Pentium 4 中的 SSE2 指令集。

五、CPU 框架及包装方法

（一） CPU 的构架

CPU 架构是按 CPU 确定了安装插座的类型和规格。目前常用 CPU 根据安装插座的规范可分为 Socket x 和 Slot x 两大架构。

以 Intel 以处理器为例，Socket 架构的 CPU 中分为 Socket 370、Socket 423 和 Socket 478 三，分别对应 Intel PIII／Celeron 处理器、P4 Socket 423 处理器和 P4 Socket 478 处理器。Slot x 架构的 CPU 中可分为 Slot 1、Slot 2 两种分别使用相应规格 Slot 安装槽。其中 Slot 1 是早期 Intel PII、PIII 和 Celeron 处理器采用框架方式，Slot 2 大型插槽专门用于安装 PⅡ和 P Ⅲ序列中的 Xeon。Xeon 它是专门用于工作组服务器的 CPU。

（二） CPU 的封装方式

所谓包装，是指用于安装半导体集成电路芯片的外壳，通过芯片上的连接器用导线连接到包装外壳的引脚过印刷电路板上的插槽与其他设备连接。它起着安装、固定、密封、保护芯片、提高电热性能的作用。

CPU 包装方式取决于 CPU 一般采用安装形式 Socket 插座安装的 CPU 使用 PGA以格栅阵列的形式包装，采用格栅阵列的形式 Slot X 槽安装的 CPU 则全部采用 SEC以单边接插盒的形式包装。

1. PGA(Pin Grid Arrax)引脚网格阵列包装

目前 CPU 基本采用封装方式 PGA 封装，多层方阵形插针围绕芯片下方，每个方阵形插针沿芯片周围排列，间隔一定距离。它的引脚看起来像针，用插件和电路板结合。安装时，将芯片插入专用芯片 PGA 插座。PGA 插拔操作更方便，可靠性高，缺点是耗电量大。PGA 还衍生出各种包装方法，最早的 PGA 封装适用于 Intel Pentium、Intel Pentiu PRO 和 Cxrix/IBM 6×86 处理器； CPGA(Ceramic Pin Grid Arrax，陶瓷针形栅格阵列)封装，适用于 Intel Pentium MMX、AMD K6、AMD K6－2、AMD K6 Ⅲ、VIA Cxrix Ⅲ处理器；PPGA(Plastic Pin Grid Arrax，塑料针状矩阵)封装，适用于 Intel Celeron 处理器(Socket 370)；FC－PGA(Flip Chip Pin Grid Arrax，反转芯片针脚栅格阵列)封装，适用于 Coppermine 系列 Pentium Ⅲ、Celeron Ⅱ和 Pentium4 处理器。

2. SEC(单边接插卡盒)封装

Slot X 架构的 CPU 不再用陶瓷封装，而是采用了一块带金属外壳的印刷电路板，该印刷电路板集成了处理器部件。SEC 卡的塑料封装外壳称为 SEC(Single Edgecontact Cartridge)单边接插卡盒。这种 SEC 卡设计是插到 Slot X(尺寸大约相当于一个 ISA 插槽那么大)插槽中。所有的 Slot X 主板都有一个由两个塑料支架组成的固定机构，一个 SEC 卡可以从两个塑料支架之间插入 Slot X 槽中。

其中，Intel Celeron 处理器(Slot 1)是采用(SEPP)单边处理器封装；Intel 的 PentiumⅡ是采用 SECC(Single Edge Contact Connector，单边接触连接)的封装；Intel 的 PentiumⅢ是采用 SECC2 封装。